Abwärmenutzung mit Stirlingmotoren

Hocheffizientes Druckluftspeicherkraftwerk mit
Nutzung von Abwärme aus externen Quellen ohne
Verwendung von Sondermaschinen
Dissertation
Teilveröffentlichung nach Geheimhaltungsvereinbarung, gültig bis 30.09.2018
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
an der Leuphana Universität Lüneburg
Fakultät Nachhaltigkeit
Institut für nachhaltige Chemie und Umweltchemie
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Theo Tietjen
geb. am 05.08.1974
3. August 2013
Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang K. L. Ruck
Zweitgutachter: Prof. Dr. Gerhard Petersen
Ich erkläre ausdrücklich, dass es sich bei dieser von mir eingereichten schriftlichen
Arbeit um eine von mir selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasste Arbeit handelt.
Theo Tietjen
Danksagung
Mein herzlicher Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ruck, der
mir die Erstellung dieser Arbeit ermöglicht, mir sein Vertrauen geschenkt und in
konstruktiven Diskussionen meine Promotionszeit bereichert hat.
Herrn Prof. Dr. Gerhard Petersen vom Helmholtz-Zentrum in Geesthacht danke ich für
die Übernahme des Co-Referats.
Besonderer Dank gebührt Herrn Dr. Oliver Opel für die freundliche fachliche und
organisatorische Unterstützung während meiner Promotion.
Den Mitarbeitern des Teams „Thermische Batterie“ unter der Leitung von Dr. Thomas
Schmidt danke ich herzlich für die fachliche Unterstützung zum Thema Chemische
Wärmespeicher.
In dankbarer Erinnerung werde ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Barth († 2011)
behalten, der mich stets ermutigte, das Thema Druckluftspeicher weiterzuverfolgen.
Für seine fundierte fachliche Unterstützung in der frühen Phase der Entwicklung danke
ich Herrn Dr.-Ing. Bernd Benker.
Nicht zuletzt danke ich ganz besonders meinen Eltern und meiner Lebenspartnerin
Sibylle Apel, die mir in den vergangenen Jahren den nötigen Rückhalt gegeben und so
das Gelingen dieser Arbeit unterstützt haben.
Inhaltsverzeichnis
1.
Problemstellung und Methodik der Arbeit ................................................................. 6
1.1 Problemstellung ......................................................................................................... 6
1.2 Methodik der Arbeit .................................................................................................... 6
2.
3.
Zusammenfassung ...................................................................................................... 8
Stand der Technik.......................................................................................................10
3.1 Energiespeicher für eine nachhaltige Energiewende ................................................10
3.2 Stand der Technik bei Druckluftspeichern .................................................................11
3.2.1 CAES ................................................................................................................11
3.2.2 ACAES..............................................................................................................12
3.2.3 AACAES ...........................................................................................................13
3.2.4 Weitere CAES Konzepte ...................................................................................14
3.3 Stand der Technik bei anderen Speichertechnologien ..............................................15
4.
Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten ..........18
4.1 Druckspeicher ...........................................................................................................18
4.1.1 Gleitdruckspeicher und Gleichdruckspeicher.....................................................19
4.1.2 Aufheizung und Abkühlung eines Gleitdruckspeichers ......................................20
4.1.3 Druckbehälterbau ..............................................................................................21
4.1.4 Kavernen als Druckspeicher .............................................................................22
4.1.5 Andere potenzielle Druckspeicher .....................................................................24
4.2 Wärmeübertragung, Wärmespeicher und Wärmepumpen ........................................25
4.2.1 Wärmeübertragung in Kraft- und Arbeitsmaschinen ..........................................25
4.2.2 Flüssigkeits-Wärmespeicher .............................................................................27
4.2.3 Feststoff-Wärmespeicher ..................................................................................28
4.2.4 Latente Wärmespeicher ....................................................................................31
4.2.5 Chemische Wärmespeicher ..............................................................................32
4.2.6 Verdampfermaschinen als Wärmepumpen........................................................35
4.2.7 Stirlingmotor als Wärmepumpe .........................................................................37
4.3 Potenzielle Wärmequellen ........................................................................................38
4.3.1 Wärme aus externen Quellen ............................................................................38
4.3.2 BHKWs als Abwärmequellen ............................................................................38
4.3.3 Industrielle Abwärme .........................................................................................40
4.4 Kompressions- und Expansionsmaschinen...............................................................41
4.4.1 Adiabate Kompression und Expansion ..............................................................47
4.4.2 Isobarer Wärmeaustausch ................................................................................50
4.4.3 Isotherme Kompression und Expansion ............................................................51
4.4.4 Angenähert isotherme Kompression für den Druckluftspeicher .........................52
4.4.5 Analyse der Stufenvariation bei Kompression und Expansion ...........................53
4.4.6 Einfluss von Verlusten auf die Prozessführung .................................................54
4.5 Alternativen zum AACAES ........................................................................................56
5.
6.
7.
8.
Ergebnisse mit neuen CAES-Prozessen ...................................................................58
Diskussion und Beispielanwendung .........................................................................58
Fazit und Ausblick ......................................................................................................58
Bewertung der Prozessberechnungen......................................................................60
8.1
8.2
8.3
8.4
Innere Kompression in Druckspeichern ....................................................................60
Carnot-Wirkungsgrad als Vergleich für reale Prozesse .............................................60
Simulink-Modell des Wärmespeichers ......................................................................60
Leistungszahl von Wärmepumpen ............................................................................61
8.5 Verlustlose thermodynamische Betrachtungen .........................................................61
8.6 Verlustbehaftete thermodynamische Betrachtungen .................................................61
8.7 Auslegung der Beispielanlage...................................................................................61
9. Quellenverzeichnis .....................................................................................................62
10.
Abbildungsverzeichnis ...........................................................................................71
11.
Symbolverzeichnis .................................................................................................73
1. Problemstellung und Methodik der Arbeit
6
1. Problemstellung und Methodik der Arbeit
Die der Arbeit zugrundeliegende Problemstellung erfordert eine darauf abgestimmte
Vorgehensweise, die an dieser Stelle erläutert wird.
1.1
Problemstellung
Wie können kurzfristig die für eine erfolgreiche Energiewende erforderlichen Energiespeicher
(restriktiv Druckluftspeicher) für elektrischen Strom im mittleren Leistungsbereich und mit
hoher Speichereffizienz realisiert werden?
Diese Problemstellung soll in dieser Arbeit mit der Entwicklung eines neuen
Druckluftspeicherkonzepts zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie beantwortet
werden. Eine zu den vorhandenen Technologien konkurrenzfähige Speichereffizienz ist das
Ziel. Dabei ist der Einsatz von Sondermaschinen zu vermeiden und der Fokus auf
marktverfügbare Maschinen- und Anlagenkomponenten im mittleren Leistungsbereich von
bis zu wenigen MW zu legen. Gleichzeitig kommt Abwärme aus externen Quellen eine
besondere Rolle als mögliche, zusätzliche Energiequelle zu. Eine Darstellung von
alternativen Betriebsweisen und in Frage kommenden Schnittstellen in vorhandenen
Energieversorgungsstrukturen mit Abwärmequellen anhand eines konkreten Beispiels soll
die Brücke zu zukünftigen Untersuchungen schlagen.
1.2
Methodik der Arbeit
Die folgende Aufstellung beschreibt die Vorgehensweise bei der Erstellung dieser Arbeit. Die
Abfolge der Kapitel stimmt nicht immer mit der Chronologie der tatsächlich erfolgten
Arbeitsschritte überein. Die Struktur der Kapitel wurde so gewählt, dass nicht auf
nachfolgende Kapitel verwiesen werden muss und immer auf bereits dargestellte
Sachverhalte und Ergebnisse aufgebaut wird.
Zum Stand der Technik (Kapitel 3) werden als Einleitung der Arbeit die Probleme der
Energiewende (Kapitel 3.1) kurz erläutert. Damit wird der Bedarf für Energiespeicher
allgemein verdeutlicht, aber auch die Relevanz der Druckluftspeichertechnik hervorgehoben,
die dieser Technologie von Experten beigemessen wird. Aus diesen einleitenden
Ausführungen erschließt sich unter anderem die Problemstellung dieser Arbeit. Nachfolgend
werden bekannte Druckluftspeicherkonzepte (Kapitel 3.2) vorgestellt, die heute oder
zukünftig von Wichtigkeit sein könnten, um einen Überblick über diese Technik zu
gewährleisten. Abschließend wird eine kurze Zusammenfassung über den Stand anderer
Energiespeichertechniken (Kapitel 3.3) wiedergegeben, um die wesentlichen Eckdaten
später mit der Druckluftspeichertechnik vergleichen zu können.
Die Erarbeitung von innovativen Druckluftspeicherprozessen (Kapitel 4) stellt den Kern
dieser wissenschaftlichen Arbeit dar. Der Ausgangspunkt der Überlegungen ist die
Entscheidung, welcher Basisprozess die beste Grundlage für einen neuen
Druckluftspeicherprozess bieten kann und welche Einzelkomponenten für diesen Prozess
relevant sind. Es erfolgt ein Überblick über den Stand der Technik der ersten Komponente,
dem Druckspeicher (Kapitel 4.2). Die verschiedenen Problematiken unterschiedlicher
Druckspeicher werden erörtert und bewertet. Berechnungen zu den Speichertemperaturen in
Gleitdruckspeichern beantworten Fragestellungen zu sinnvollen Speicherdrücken,
Speichergrößen und Grundbefüllungen. Probate sowie experimentelle Druckspeicher
verschiedener Kapazitäten werden angesprochen. Die Wärmespeicherung und
Wärmeübertragung (Kapitel 4.3) sind die nächsten Prozess-Komponenten, deren Stand der
Technik dargestellt und bewertet wird. Neben den klassischen Rekuperatoren sind auch
Regeneratoren und Wärmepumpen in die Betrachtungen eingeschlossen. Für
1. Problemstellung und Methodik der Arbeit
7
Feststoffspeicher werden die Ergebnisse einer Simulink-Simulation hinzugezogen, um die
Eignung dieser Speicher für den Einsatz in Druckluftspeichern zu diskutieren. Außerdem
erfolgt eine Erörterung von Wärmepumpen und chemischen Wärmespeichern als potentielle
Komponenten in Druckluftprozessen. Eine Darstellung der quantitativen und qualitativen
potenziellen Abwärmequellen (Kapitel 4.4) in Deutschland heute und in naher Zukunft knüpft
daran an. Als letzte Komponente des Druckluftspeichers werden die verfügbaren Maschinen
für Kompression und Expansion (Kapitel 4.5) sowie deren Betriebsgrenzen recherchiert und
bewertet. Die adiabate und isobare Zustandsänderung bilden die Grundlage der Prozesse in
einem Druckluftspeicher. Als zusammengesetzter Prozess aus diesen beiden
Zustandsänderungen wird der angenähert isotherme Prozess betrachtet. In
vereinfachenden, verlustlosen Berechnungen ist der Einfluss von verschieden hohen
Prozesstufenanzahlen unter Berücksichtigung von Temperaturen, Drücken und
Wärmemengen zu untersuchen. Daraus können erste Schlüsse hin zu einem neuen
Druckluftspeicherprozess erfolgen. Nachfolgend werden diese Modelle realitätsnäher
formuliert und verlustbehaftet unter Berücksichtigung der Maschinenstufen von
Turbomaschinen für weitere Berechnungen vorbereitet. Am Beispiel des einstufigen
AACAES-Prozesses (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) werden erste
Kalkulationen mit diesem Berechnungsmodell erstellt. Ein alternativer Prozess mit
exemplarischen zwei Stufen kann nun ebenfalls berechnet und dargestellt werden. Die sich
daraus ergebenden Fragestellungen führen zu verschiedenen Lösungswegen hin zu neuen
Druckluftspeicherprozessen.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus den bisherigen Recherchen und Kalkulationen
ermöglichen die realitätsnahe, verlustbehaftete Berechnung alternativer DruckluftspeicherProzesse (Kapitel 5). Verschiedene Varianten mit einer oder zwei Prozessstufen und
unterschiedlichen Wärmezuführungen werden berechnet, bewertet und schließlich
verglichen (Kapitel 5.4).
In der anschließenden Diskussion (Kapitel 6) werden die Ergebnisse aus Recherche und
Berechnungen exemplarisch und verallgemeinernd an den Einzelkomponenten einer
Beispiel-Druckluftspeicheranlage mit 1 MWh Speicherkapazität erörtert.
Das Fazit mit Ausblick (Kapitel 7) beinhaltet aus der Arbeit abgeleitete allgemeine Schlüsse.
Dabei werden die Vorteile konsequenter Exergie- und Restwärmenutzung aufgeführt und
beurteilt. Weitere sich aus dieser Arbeit ergebende Prozessvarianten werden kurz
angesprochen und mögliche Potenziale im größeren und kleineren Leistungsbereich
angerissen.
Die Zusammenfassung (Kapitel 2) beantwortet die Problemstellung der Arbeit und gibt
weitere Antworten auf die wesentlichen Fragestellungen und Ergebnisse dieser Arbeit
bezüglich Abwärmepotenzialen, Energiewende und Speicherproblematiken wieder.
2. Zusammenfassung
8
2. Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurden mehrere Druckluftspeicher-Prozesse ermittelt, die durch Zuführung
von Abwärme aus externen Quellen in der Lage sind, elektrischen Strom hocheffizient zu
speichern und wieder bereitzustellen.
Dabei sind vornehmlich Daten von Maschinen und Anlagenkomponenten verwendet worden,
die aktuell am Markt verfügbar sind, so dass eine kurzfristige Umsetzung im Anlagenbau
möglich ist. Als Ergebnis der Arbeit wird gezeigt, dass auch ohne Sondermaschinen die
Speicherung und Bereitstellung von elektrischem Strom mit Druckluftspeichern bei guten bis
sehr guten Effizienzwerten möglich ist. Dazu können heute ungenutzte Abwärmemengen,
vorzugsweise bei hoher Temperatur, aus vielerorts verfügbaren externen Quellen in diesen
auf dem AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) basierenden
Prozessen genutzt werden. Bereits mit der Abgasabwärme aus BHKWs
(Blockheizkraftwerken) und Biogasanlagen können mehrstufige Druckluftspeicher mit
Standardmaschinen konkurrenzfähige Effizienzwerte im Vergleich zu einstufigen AACAESKonzepten mit Sondermaschinen bieten.
Mit den ermittelten Prozessen ist außerdem bereits heute der Bau von Druckluftspeichern
mit Kraftwerksfunktion möglich, deren Quotient von eingespeicherter zu ausgespeicherter
elektrischer Energie bei theoretisch über 100 % liegt – in diesem Fall wird elektrische
Energie aus zugeführter Abwärme dazugewonnen. Die Umwandlung dieser Abwärme aus
externen Quellen in zusätzlichen elektrischen Strom ist in einigen Druckluftprozessen mit
theoretischen Umsatzgraden von bis zu 86 % möglich. Weitere Prozesse nach diesem
Muster, die zudem besser für eine Nutzung von Abwärme bei niedrigeren Temperaturen
geeignet sind, können in Aussicht gestellt werden. Die hohen Effizienzwerte ermöglichen es
diesen Druckluftspeichern, mit Batteriespeichern, Pumpspeichern oder anderen effizienten
Energiespeichern zu konkurrieren.
Anlass für die Entwicklung der in dieser Arbeit vorgestellten Druckluftspeicherprozesse ergibt
sich unmittelbar aus den aktuellen Fragestellungen zur Energiewende in Deutschland. Die
Energiewende bringt Probleme bei der Bereitstellung von Erzeugerleistungen mit sich, die
zukünftig eine Umstrukturierung des vorhandenen Kraftwerkparks, auch der nicht
regenerativen Erzeuger, nach sich ziehen werden. Bedingt durch den zusätzlichen Ausbau
von fluktuierenden erneuerbaren Energien aus Solarstrom und Windkraft wird aktuell der
Einsatz von regelbaren, konventionellen Kraftwerken als kurzfristig umsetzbare Lösung
propagiert, um in wind- und solarschwachen Zeiten für kurze Zeiträume Lastreserven
bereitstellen zu können. Die dafür benötigten Kraftwerke sind nur zum Teil vorhanden, so
dass der Zubau von weiteren so genannten Schattenkraftwerken notwendig ist, um zukünftig
Blackouts zu verhindern. Gleichermaßen wird zudem der kostenintensive Netzausbau
vorangetrieben, um lokale Überlasten zu verhindern. Deshalb müssen kurzfristig praktikable
Speicherlösungen ohne Sondermaschinen und hohen Forschungsbedarf bereitgestellt
werden.
Speichertechnologien für elektrische Energie könnten ebenfalls kurzzeitig positive und
negative Lastreserven bereitstellen und damit den Umfang des geplanten Netzausbaus oder
den Zubau von Schattenkraftwerken reduzieren. Marktreif sind zurzeit jedoch nur wenige
dieser Technologien, insbesondere für mittlere bis hohe Leistungen. Bei den verfügbaren
Speichertechnologien wie Windgas, Pumpspeicher oder Batterien gibt es vor allem Probleme
bezüglich der Wirkungsgrade, dem Landschaftsbedarf beziehungsweise der Skalierbarkeit
und der Kosten. So werden mit Windgas-Speichern maximale Effizienzen von 25 bis 30 %
von elektrischer zu elektrischer Energie erreicht. Die möglichen Standorte für
Pumpspeicherkraftwerke, die zwar bis zu 85 % Effizienz erreichen können, sind in
Deutschland praktisch weitgehend ausgeschöpft. Batteriespeicher mit hoher Effizienz nahe
95 % sind teuer und benötigen seltene Erden.
2. Zusammenfassung
9
Parallel zu der ungelösten Speicher-Problematik existiert ein weitere. So bleiben auch heute
noch große Abwärmemengen in Deutschland ungenutzt. Durch den Zubau von
Schattenkraftwerken als BHKWs erhöhen sich diese ungenutzten Abwärmemengen weiter.
Soweit Abwärme heute genutzt wird, findet meistens eine Umwandlung auf niedrigere
Temperaturniveaus statt, um Heizbedarf mit diesen Wärmemengen abzudecken.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass das vorhandene große Potenzial an
Hochtemperaturabwärme geeignet ist, um in thermodynamischen Gasprozessen,
insbesondere in Druckluftspeichern, die Effizienz erheblich zu steigern. Dadurch werden
vorhandene Abwärmepotenziale genutzt und verringert. Gleichzeitig sind Druckluftspeicher
in Ihrer Funktion als Energiespeicher in der Lage, die benötigten kurzzeitigen negativen und
positiven Lastreserven zu liefern, die für eine nachhaltige Energiewende unabdingbar sind.
Da in den ermittelten, gut skalierbaren Druckluftspeicherprozessen auf diese Weise die
Exergie bei hohen Temperaturen effizient in nutzbare Energie umgewandelt wird, stehen
nach der Nutzung im Druckluftspeicher auch weiterhin Restwärmemengen bei niedrigen
Temperaturen zur Verfügung, die eine Umwandlung in Strom, zum Beispiel in ORC-Anlagen,
oder zu Heizzwecken ermöglichen.
Bisherige Druckluftspeicherkonzepte sind vor allem für den großtechnischen Einsatz bei
Leistungen ab 100 MW entwickelt worden. Die in dieser Arbeit ermittelten regenerativen
Druckluftspeicher-Prozesse sind ab Leistungen von rund 500 kW einsetzbar, und zwar mit
heute am Markt verfügbaren Maschinen. Potenzielle Einsatzbereiche dieser Technologie
sind kommunale Stromnetze, in denen diese Energiespeicher zur Stabilisierung der
Stromversorgung bei Fluktuationen von Erzeugerkapazitäten der erneuerbaren Energien wie
Wind- und Solarstrom beitragen. Aus Industrieanlagen, BHKWs oder Biogasanlagen kann
der Druckluftspeicher Hochtemperaturwärme umsetzen, die je nach Temperatur für gute bis
sehr gute Speichereffizienzwerte sorgen. Im Gegensatz zu anderen elektrischen
Energiespeichern, wie zum Beispiel Batterien oder Flow-Batteries, sind Druckluftspeicher
zudem zyklenfest und verwenden keine umweltgefährdenden Chemikalien.
In Kombination mit den für hohe Temperaturen geeigneten chemischen Wärmespeichern,
die sich heute im Pilotstadium befinden, können die in dieser Arbeit entwickelten
Druckluftspeicher-Prozesse in naher Zukunft weitere Problemstellungen bewältigen. So
werden einerseits lange Haltezeiten ohne große Verluste bei den gespeicherten
Kompressions- und Abwärmemengen möglich sein, andererseits wird auch die Nutzung von
Abwärmemengen bei niedriger Temperatur erheblich verbessert.
3. Stand der Technik
10
3. Stand der Technik
In diesem einleitenden Kapitel werden Technologien und Informationen dargestellt, die den
Stand der Energiewende und den Stand der Technik von Druckluftspeichern auch im
Vergleich zu anderen Speichertechnologien wiedergeben. Rechercheergebnisse und
Quellen, die insbesondere oder ausschließlich im weiteren Verlauf für aufgabenspezifische
Lösungswege verwendet werden, sind in nachfolgenden Kapiteln gesondert aufgeführt.
3.1
Energiespeicher für eine nachhaltige Energiewende
Energiespeicher werden heute bereits als wichtiger volkswirtschaftlicher und kausaler Faktor
für eine
erfolgreiche Energiewende gesehen. Der Speicherbedarf in punkto
Speicherkapazität und Lastprofil wurde von mehreren Studien untersucht und prognostiziert.
Im Eckpunktepapier der Bundesregierung zur Energiewende [EBE] sind der Ausstieg aus der
Kernenergie bis 2022 und der Ausbau der erneuerbaren Energien festgeschrieben. Weitere
wichtige Eckpunkte des Papiers befassen sich mit der ökonomisch effizienten und
zuverlässigen Bereitstellung von Strom auch unter zunehmendem Anteil erneuerbarer
Energien bei gleichzeitiger Abnahme von konventionellen Erzeugerkapazitäten. Dabei wird
ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Speicher für elektrische Energie einen „wesentlichen
Baustein“ in der zukünftigen Energieversorgung darstellen werden. Deshalb sind und sollen
Speicher auch zukünftig von Netzentgelten befreit sein.
Laut einer Stellungnahme des Sachverständigenrats für Umweltfragen [Faulstich] ist eine
Stromversorgung mit 100 % erneuerbaren Energien bis 2050 nicht nur machbar und
wünschenswert, sondern auch klimatisch nachhaltig, zuverlässig und auch ökonomisch
lösbar.
Abb. 3-1 Energieversorgung bis 2050 [Faulstich]
Der hohe Anteil an fluktuierenden erneuerbaren Energien aus Wind und Solarstrom forciert
den Einsatz von Speichertechnologien. Gleichzeitig wird es vermehrt zum Zubau von
regelbaren Gaskraftwerken kommen müssen, um bereits heute auftretende Lastlücken durch
den Ausfall der regenerativen Energieerzeuger bei Windstille oder Bewölkung
auszugleichen. [Faulstich 1]
Die DENA Netzstudie II [Kohler] befasst sich mit der Betrachtung verschiedener Szenarien
mit unterschiedlichen Gewichtungen von Speicher- und Netzausbau und macht deutlich,
3. Stand der Technik
11
dass der Zubau von Energiespeicherkapazitäten den Ausbau der Netze zum Teil ersetzen
kann.
Weiterführende Untersuchungen zum Speicherbedarf von fluktuierenden erneuerbaren
Energien bei Einbeziehung der Wetterprognosen für die nächsten 40 Jahre [Popp] zeigen,
dass pro Kopf in Deutschland eine Speicherkapazität von 100 bis 250 kWh für elektrischen
Strom geschaffen werden muss, um die Erzeugerkapazitäten sinnvoll nutzen zu können.
Der VDI [Hübner] kommt in Anlehnung an oben aufgeführte Studien zu ähnlichen
Ergebnissen und hebt die Druckluftspeichertechnik als eine gute Lösung zur Speicherung
von elektrischer Energie über Stunden oder Tage hervor. Der Gesamtbedarf an
Speicherkapazität in Deutschland heute wird mit 10 TWh jährlich angegeben.
Zudem gilt die Speicherung von elektrischer Energie in Druckluftspeichern als eine der
günstigsten Varianten. [Chen]
Heute verfügbare Speichertechnologien, Druckluftspeicher eingeschlossen, werden als
kausal notwendige Komponenten zukünftiger Energiestrukturen gesehen, um Strompeaks
und Peaklasten zukünftig ohne Abhängigkeit von konventionellen Energieträgern
ausgleichen zu können. Die daraus resultierende ökonomische und politische
Unabhängigkeit von Gas-Importen gilt als zukunftsweisend. Obwohl die Studie [Linden] für
den US-amerikanischen Energieversorgungsmarkt durchgeführt wurde, liegen Analogien in
Europa, insbesondere in Deutschland mit seiner fortschreitenden Energiewende, nahe.
Damit ist der Bedarf von Energiespeichern in Deutschland vorhanden und wird im Zuge der
Energiewende deutlich zunehmen. Die Druckluftspeichertechnik wird von Experten als
zukunftsweisende Technologie gesehen. Gleichzeitig werden konventionelle, gut regelbare
Kraftwerke zugebaut. Da konventionelle Kraftwerke ebenfalls maschinellen Verlusten
unterliegen, ist in Zukunft mit einem höheren Abwärmepotenzial zu rechnen als heute.
3.2
Stand der Technik bei Druckluftspeichern
Als Grundlagenwissen werden in diesem Abschnitt die wesentlichen heute bekannten und
zum Teil gut erprobten Druckluftspeichertechniken vorgestellt.
Bei den Druckluftspeichern, englisch compressed air energy storage (CAES), sind im
Wesentlichen drei Bauarten bekannt, die sich in der Prozessführung unterscheiden. Dabei
bleibt jedoch der grundlegende Ein- und Ausspeichervorgang aller Bauweisen gleich: Der
Einspeichervorgang erfolgt durch Leistungsaufnahme der Kompressionsmaschinen. Der
Ausspeichervorgang erfolgt durch Leistungsabgabe der Expansionsmaschinen. Als
verwendetes Medium dient Luft.
3.2.1
CAES
Der klassische CAES stellt die älteste und einfachste Bauform dar und wird, allgemein
bekannt, in der Industrie zur Speicherung von Druckluft für diverse Geräte und Steuerungen
eingesetzt. Die Umgebungsluft wird in der Regel durch mehrere Kompressionsstufen mit
relativ kleinem Verdichtungsverhältnis schrittweise mit Zwischenkühlung verdichtet. Die
Kompressionswärme wird nicht gespeichert und geht verloren. Bei der Expansion besteht
deshalb ein erhöhter Wärmebedarf, um ein Vereisen der Maschinen zu vermeiden. Bei
niedrigen Arbeitsdrücken wird die erforderliche Wärme im Allgemeinen, zum Beispiel bei
druckluftbetriebenen Werkzeugen, aus der Umgebung entnommen. Bei höheren Drücken
reicht diese Methode nicht aus. Aus diesem Grund wird insbesondere im großtechnischen
Leistungsbereich mit Feuerung von Gas, Öl oder anderen Brennstoffen Wärme zugeführt.
3. Stand der Technik
12
Im hohen Megawattbereich wird diese Technik bei den Kraftwerken Huntorf [Huntorf] und
McIntosh [McIntosh] seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Weitere Anlagen
dieser Bauart sind geplant, wie zum Beispiel die Anlage Norton [Norton]. Die Leistungen
dieser Anlagen liegen zwischen 110 und 1.800 MW, die Lieferzeiten zwischen zwei Stunden
und 8 Tagen [Nölke].
Abb. 3-2 Huntorf (1978), McIntosh (1991), Norton (geplant) [Nölke]
Die Wirkungsgrade der Kraftwerke Huntorf und McIntosh unterscheiden sich prozessbedingt.
Die erreichten Enddrücke, also die obere Grenze des Druckarbeitsbereichs dieser
Druckluftspeicher, liegen zwischen 45 und 72 bar. Die komprimierte Luft wird in
Kavernenspeichern mit einem Volumen von mehreren 100.000 m³ gespeichert. [Nölke]
Abb. 3-3 Prozesse von Huntorf und McIntosh
Im Unterschied zum Prozess bei Huntorf wird bei McIntosh die nach der zweiten Stufe aus
der zweistufigen Gasturbine austretende Luft zur Vorwärmung der Kavernenluft verwendet.
Der Wirkungsgrad wird hier als Quotient der abgegebenen Turbinenleistung zur Summe aus
aufgenommener Verdichterleistung zuzüglich der zugeführten Verbrennungswärme
berechnet.
3.2.2
ACAES
Als adiabater CAES, englisch adiabatic CAES (ACAES), bezeichnet man Druckluftspeicher,
bei denen die Kompressionswärme nicht verloren geht, sondern die warme, komprimierte
Luft gespeichert wird. Diese Technologie wird auch als ungekühlter adiabater
Druckluftspeicher, englisch uncooled ACAES kurz UACAES, bezeichnet.
Der Einsatz von ACAES-Speichern zum Zweck der Netzintegration fluktuierender
Windenergie wurde unter anderem bereits an einer kleinen Pilotanlage [Mohamed 1]
erforscht. Die größten Probleme dieser Technologie liegen in den hohen Temperaturen, die
bereits bei moderaten Speicherdrücken auftreten. Der Drucktank muss hohen Temperaturen
und Drücken gleichzeitig standhalten, was hohe Anforderungen bezüglich der Materialwahl
3. Stand der Technik
13
mit sich bringt. Außerdem wird die gesamte Tankoberfläche gegen Temperaturverluste
isoliert, was bei großen Anlagen zu erheblichem Isolationsaufwand führt. [Mohamed]
Abb. 3-4 ACAES Versuchsanlage an der TU-Clausthal, li. o. Kompressor,
li. u. Hakenzahn-Turbine, re. Isolierter Drucktank
Prinzipiell ist eine solche Anlage jedoch durchaus geeignet, um fluktuierende
Energieerzeuger in ein bedarfsorientiertes Stromnetz einzubinden. Wirkungsgrade sind nicht
bekannt. [Mohamed 2]
Die praktische Machbarkeit von Druckluftstromspeichern zum Ausgleich von Fluktuationen
von Windkraftwerken anhand von realen Winddaten bestätigen auch andere Arbeiten.
[Kikuchi]
Zu ähnlichen Ergebnissen kommt auch eine andere Untersuchung, nach der mit
Druckluftspeichern in geregelten Tag-Nacht-Zyklen ein erheblicher Leistungsausgleich in
Stromnetzen möglich ist. [Kagawa]
3.2.3
AACAES
Als fortschrittlicher adiabater CAES, englisch advanced adiabatic CAES (AACAES), werden
Druckluftspeicher bezeichnet, bei denen die Kompressionswärme in einem Wärmespeicher
und die kalte Druckluft in einem separaten Drucktank bevorratet werden.
In Fachkreisen bekannt ist das AACAES-Projekt ADELE in Staßfurt, ein Großprojekt für eine
Demonstrations- und Forschungsanlage, an dem mehrere Firmen unter der Federführung
von RWE Power mitwirken. General Electrics entwickelt für die Kompression und Expansion
neuartige, geeignete Maschinen, wobei eine große Herausforderung bei der Entwicklung von
Kompressionsmaschinen für Enddrücke von über 65 bar und Endtemperaturen von bis zu
600 °C liegt. Die Firma Züblin hat dazu einen passenden Wärmespeicher entwickelt.
[ADELE]
3. Stand der Technik
14
Abb. 3-5 ADELE Aufbau, Prozess und Wärmespeicher [ADL]
Als Gesamtwirkungsgrad des ADELE Druckluftspeichers streben die Entwickler einen Wert
von 70 % an. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Wärme der
Niederdruckkompression verlorengeht, wird die Anlage in Staßfurt zeigen müssen, ob dieser
Wirkungsgrad real erreichbar sein wird. [ADELE]
Damit wird deutlich, dass der Fortschritt in einem AACAES insbesondere in der Entwicklung
neuer Maschinen und Anlagenteile besteht. Die Idee hinter dem AACAES wurde bereits
1974 als Patent [P12] eingereicht, als sich das Kraftwerk Huntorf im Baustadium befand.
Abb. 3-6 AACAES Patent von 1974, rechts Grafik aus [P12]
Zum Einspeichern wird die Umgebungsluft angesaugt und verdichtet. Die heiße komprimierte
Luft durchströmt anschließend einen Wärmetauscher oder Feststoffwärmespeicher, in dem
sich die Luft abkühlt und ein Wärmespeichermedium aufheizt. Die kalte Druckluft wird in
einem Drucktank gespeichert. Zum Ausspeichern durchströmt die kalte Druckluft erneut den
Wärmetauscher oder Feststoffwärmespeicher und erhitzt sich. Anschließend verrichtet die
heiße Druckluft Arbeit in einer Expansionsmaschine. Auf diese Weise wird die anfallende
Kompressionswärme des Einspeichervorgangs beim Ausspeichervorgang wiederverwendet
und ein Vereisen der Maschinen bei der Expansion verhindert.
3.2.4
Weitere CAES Konzepte
Einen anderen Weg geht die Firma SustainX [SustainX] mit einer eigens entwickelten
Maschine für die isotherme Kompression, die unter dem Begriff ICAES als Handelsmarke
geschützt ist. Durch Wassereinspritzung während der Kompression und der Expansion
werden hohe Temperaturen beziehungsweise ein Vereisen der Maschinen vermieden. Die
Firma hält zahlreiche Patente, die diese Technologie ergänzen.
3. Stand der Technik
15
Abb. 3-7 isotherme Kompressionsanordnung [SustainX]
Die Kompression und Expansion erfolgt indirekt mittels einer Hydraulik, die wiederum die
Maschinenkomponenten für die isothermen Prozesse antreibt. Der Wirkungsgrad zwischen
Ein- und Ausspeichervorgang wird mit rund 70 bis maximal 88 % angegeben. Der hohe Wert
wird nur bei Zuführung von Wärme aus externen Quellen erreicht. [SustainX]
In hydraulisch komprimierenden Druckgasspeichern treten bei sinkendem Druck
explosionsartige Instabilitäten auf. Der „blow out“ Effekt, bekannt aus der Sektflasche, wird
durch plötzliches Ausgasen verursacht. Dieser nichtlineare Effekt muss für zukünftige
Anwendungen untersucht und beherrschbar gemacht werden. [Sano]
Eine andere Richtung schlagen Forscher unter der Federführung von E.ON mit dem
isobaren, adiabaten CAES, englisch isobaric adiabatic compressed air energy storage, kurz
ISACOAST-CC [Brinkmeier], ein. Durch eine Kombination von Gaskraftwerk und CAES
werden Gasverbrauch und Speicherfunktion aufeinander abgestimmt. Die Technologie
befindet sich im Entwicklungsstadium und soll Speicherwirkungsgrade um 80 % erzielen.
Der Iowa Stored Energy Park [Iowa] sollte ebenfalls ein isobarer Druckluftspeicher werden,
inzwischen wurde das Projekt jedoch stillgelegt. Als Gründe werden vor allem Probleme mit
dem unterirdischen Aquifier genannt, der für die Nutzung als Druckluftspeicher ungeeignet
sei.
Unter der Bezeichnung low temperature ACAES, kurz LTA-CAES, hat eine Arbeitsgruppe
des Fraunhofer UMSICHT Instituts Ende 2011 den Vorschlag eines NiedertemperaturDruckluftspeichers veröffentlicht. Die Prozessführung für Ein- und Ausspeichervorgang ist
mehrstufig und nutzt die Kompressionswärme für die Expansion. Theoretische
Wirkungsgrade werden mit 58 bis 67 % angegeben. [LTA]
Ein gegensätzlicher Lösungsansatz zum AACAES, in dem man die Kompressionswärme
speichert, wird mit CAES-Kühlsystemen verfolgt. Die bei der nicht aufgeheizten Expansion
entstehende Kälte wird zu Kühlzwecken herangezogen. Solche Konzepte sollen hoch
effizient und bei niedrigen Betriebskosten möglich sein. [Wang]
Darüber hinaus gibt es auch hybride Konzepte für Druckgasspeicher. So lassen sich mit
einem dem CAES Konzept vergleichbaren Druckspeicherverfahren mit dem Medium
Wasserstoff sehr viel höhere Speicherkapazitäten erzielen, sofern man den Heizwert in die
Kalkulation mit einbezieht [Maton]. Analog denkbar sind solche hybriden Konzepte auch mit
Erdgaskavernenspeicher, in denen heute die Druckenergie nicht genutzt wird.
3.3
Stand der Technik bei anderen Speichertechnologien
Neben den Druckluftspeichern gibt es zahlreiche weitere Speichertechnologien, von denen in
diesem Abschnitt einige kurz erwähnt werden. Besonderes Augenmerk liegt auf den
Wirkungsgraden dieser Technologien, um später Vergleiche aufstellen zu können.
3. Stand der Technik
16
Es ist anzumerken, dass durch den Einsatz der hier genannten Speichertechnologien bei
Speicherzyklen oder in Leistungsbereichen, die nicht den üblichen Einsatzgrößen
entsprechen, erhebliche Zusatzverluste auftreten können. So werden beispielsweise
Schwungmassenspeicher durch Reibungsverluste sehr viel ineffizienter, wenn sie lange auf
Drehzahl gehalten werden müssen, ohne dass Energie abgefragt wird.
Abb. 3-8 Wirkungsgrade (aufgen. El. Energie zu abgeg. El. Energie) verschiedener Speichertechnologien,
Quelle Daten [Mahnke], Quelle Bild [Statista]
Die Wirkungsgrade heutiger Speichertechnologien reichen von 20 bis 95 %. Eine neue
Technologie sollte entsprechend den hohen Wirkungsgradbereich der jeweils
konkurrierenden Technologien anstreben, um zukünftig Bedeutung zu erlangen.
Wie bereits erwähnt sind für Vergleiche die Speicherdauer und der Leistungsbereich von
Bedeutung, in dem diese Technologien eingesetzt werden können. Während Batterien,
Pumpspeicher, Wasserstoffspeicher, Druckluftspeicher und Redox-Flow-Batterien auch für
längere Speicherzeiten geeignet sind, dienen Spulenspeicher, Kondensatoren und
Schwungmassenspeicher als Kurzzeitspeicher. Die Leistung aller Technologien ist
zumindest theoretisch skalierbar, aber ökonomisch eingegrenzt. Bei den Pumpspeichern
werden heute nahezu alle potentiellen Standorte bereits genutzt oder befinden sich im
Planungsstadium. [Mahnke 1][Kohler]
Neben den Wirkungsgraden, Leistungsbereichen und der Speicherdauer spielen gerade
bezüglich der Skalierbarkeit die Kosten der Speicher eine erhebliche Rolle für die
Etablierung der Technologie für verschiedene Einsatzgebiete. So sind beispielsweise
Batterien generell um ein vielfaches teurer als potenziell größere Speicher wie
Pumpspeicher oder Druckluftspeicher. [Mahnke 2]
Neben diesen Eigenschaften kommt vor allem bei den Batterien eine Eigenschaft hinzu, die
sich nachteilig auswirkt. Die Zyklenfestigkeit ist begrenzt, was dazu führt, dass mit der
Anzahl der Speicherzyklen die Kapazität abnimmt. Rein maschinelle Speicher wie
Pumpspeicher oder Druckluftspeicher weisen diese einschränkende Eigenschaft nicht auf.
[Mahnke]
3. Stand der Technik
17
Vergleicht man die Wirkungsgrade der verschiedenen Druckluftspeichertechniken aus
Kapitel 3.2 mit den besten Werten anderer Energiespeicher, dann kann zusammenfassend
festgestellt werden, dass insbesondere Druckluftspeicher mit Wiederverwertung der
Kompressionswärme konkurrenzfähig sind.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
18
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
Wie im vorangegangenen Kapitel ermittelt wurde, sind Druckluftenergiespeicher vor allem
dann effizient, wenn sie die Kompressionswärme wiederverwerten. Für zukünftige, effiziente
Druckluftspeicherprozesse
erscheint
deshalb
die
Wiederverwertung
von
Kompressionswärme eine Grundvoraussetzung zu sein.
Die vom Aufbau her einfachste Kompressionswärme nutzende Form des CAES ist der
ACAES, der wie bereits gezeigt, auch hohe Wirkungsgrade zum Beispiel in seiner
Ausführung als AACAES erreichen kann. Der ICAES und ISACOAST-CC, bei denen
ebenfalls die Kompressionswärme wiederverwertet wird, sind spezialisierte und komplexe
Technologien, die auf den ACAES-Prozess beziehungsweise AACAES-Prozess aufbauen.
Zur Vermeidung von spezialisierten Sondermaschinen und hohen Materialanforderungen an
den Drucktank durch Temperatur und Druckbelastungen sollen die Überlegungen für ein
alternatives Druckluftspeicherverfahren deshalb beim Basisprozess der AACAESTechnologie anknüpfen.
Für die Analyse und Weiterentwicklung des AACAES ist es in einem ersten Schritt
notwendig, die diesem Verfahren zugrundeliegende Prozessführung zu verstehen. Dazu
gehört es an erster Stelle, ein Verständnis für die Funktionsweise der thermodynamisch
relevanten Einzelkomponenten zu erarbeiten, was in den folgenden Unterkapiteln erfolgt.
Abb. 4-1 Komponenten eines AACAES
Die zu untersuchenden Komponenten sind Kompressions- und Expansionsmaschinen sowie
Wärmespeicher, die durch einen Wärmeaustauschvorgang die Kompressionswärme
auskoppeln können, und Drucktanks zur Speicherung der Druckluft.
Zudem zeigt die Entwicklung des klassischen CAES und des moderneren ICAES, dass
extern zugeführte Wärme den Wirkungsgrad eines Druckluftspeichers erhöhen kann. Wie
bereits in Kapitel 3.1 gezeigt, wird der Ausbau von konventionellen, regelbaren Kraftwerken
zwangsläufig das Abwärmepotenzial in Deutschland erhöhen. Deshalb sollen mögliche
Wärmequellen, insbesondere heute nicht genutzte Abwärmequellen, recherchiert werden.
Neben der Prozessführung sollen nach Möglichkeit Maschinen zum Einsatz kommen, die
heute verfügbar sind. Betriebsgrenzen in Frage kommender Maschinen sind zu
recherchieren und in den Betrachtungen zu berücksichtigen.
4.1
Druckspeicher
Der Druckspeicher dient der Speicherung der komprimierten Luft. Beim Prinzip des AACAES
mit separatem Wärmespeicher und den bekannten klassischen CAES wird die
Kompressionswärme der verdichteten Luft vor dem Eintritt in den Druckspeicher entzogen.
Wie am Beispiel des ACAES gezeigt besteht prinzipiell jedoch bei einem adiabaten
Druckluftspeicher die Option, die noch heiße komprimierte Luft im Druckspeicher zu
verwahren. Dabei ist zu bedenken, dass bei größeren Verdichtungsverhältnissen hohe
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
19
Temperaturen auftreten würden, so dass der Druckspeicher sowohl hohen Drücken als auch
hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Außerdem müsste, um Temperaturverluste zu
vermeiden, die gesamte Druckspeicheroberfläche isoliert werden.
Aus diesem Grund ist anzustreben, Druckspeicher und deren Zuleitungen möglichst
geringen Temperaturen auszusetzen. Deshalb sollen im Folgenden vor allem Prozesse
berücksichtigt werden, bei denen die Kompressionswärme getrennt von der Druckluft
gespeichert wird.
4.1.1
Gleitdruckspeicher und Gleichdruckspeicher
Generell können Druckspeicher unterschieden werden in Gleichdruckspeicher und solche,
bei denen der Druck mit dem Füllgrad ansteigt. Letztere werden Gleitdruckspeicher genannt.
[Rummich 1]
Abb. 4-2 a) Gleitdruckspeicherkaverne b) und c) Gleichdruckspeicher [Rummich 2]
Für Gleichdruckspeicher existieren mehrere Konzepte und Ideen. Zum Beispiel kann die
geodätische Höhe eines oberirdisch angelegten Speichersees einen Druck auf eine
entsprechend dem gewünschten Speicherdruck tiefer liegende Kaverne ausüben [P10][
Rummich 2]. Die Entnahme und die Einspeicherung von Druckluft führen auf diese Weise
nur zu geringen Druckschwankungen im Druckspeicher.
Abb. 4-3 Gleichdruckspeicher für einen Druckluftkavernenspeicher [P10]
Ähnliche Entwicklungen wurden in jüngster Zeit von der TU Braunschweig seit 2008 verfolgt.
[Giebel 1]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
20
Die Voraussetzungen, um einen Gleichdruckspeicher in einer Anlage zu verwirklichen,
dürfen als sehr speziell angesehen werden. Der Aufwand muss mit dem späteren Nutzen
aufgewogen werden und scheint vor allem für größere Druckluftspeicher mit
Kavernenspeicher in Frage zu kommen. Deshalb sollen die nachfolgenden Betrachtungen
auf Druckspeicher fokussiert werden, in denen der Druck mit dem Füllgrad ansteigt – also
auf die Gleitdruckspeicher.
4.1.2
Aufheizung und Abkühlung eines Gleitdruckspeichers
Vorrangig sollte ein Erhitzungseffekt beziehungsweise Abkühlungseffekt beachtet werden,
der auch dann auftritt, wenn die Kompressionswärme vor dem Druckspeicher aus der
komprimierten Luft ausgekoppelt wurde. Diese Problematik tritt nur bei Gleitdruckspeichern
auf. In Gleichdruckspeichern treten die nachfolgend beschriebenen Temperatureffekte
entsprechend nicht auf.
Der zusätzliche Erhitzungseffekt entsteht bei der Zufuhr des kalten Gases in den Drucktank
durch die dabei durchgeführte Kompression des Speicherinhalts und lässt sich mit einem
vereinfachenden Modell abschätzen und beschreiben. Eine dem Druckspeicher zugeführte
inkrementelle Luftmasse verdichtet dabei als Verdrängervolumen die bereits im
Druckspeicher vorhandene Luftmasse, wodurch diese sich erhitzt. Anschließend kommt es
durch Vermischung und Wärmeübertragung zu einem Temperaturausgleich zwischen der
neu hinzugenommenen und der vorhandenen Luftmasse.
Die durchgeführten Berechnungen sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
Die betrachteten Temperaturänderungen in Gleitdruckspeichern haben nicht nur auf
energetische Betrachtungen Einfluss. Temperaturveränderungen können unter bestimmten
Bedingungen auch zum Auskondensieren von Wasser aus der Luft führen – oder es kommt
sogar bei Temperaturen unter 0 °C zur Eisbildung. Wie allgemein bekannt ist besitzt
Umgebungsluft immer einen mehr oder weniger hohen Wasserdampfanteil.
Abb. 4-4 Dampfdruckkurve [Baehr 3]
Von einem beliebigen Zustandspunkt der feuchten Luft aus mit einem Partialdruck pW und
einer Temperatur T führt eine Abkühlung der Luft zu Zuständen links vom Taupunkt auf der
Dampfdruckkurve, wobei es zu einem Auskondensieren von Wasser aus der Luft kommt
[Baehr 3].
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
21
Diese Betrachtungen und Trends anhand der exemplarischen Berechnungen lassen sich
zusammenfassend auswerten. Geht man davon aus, dass die Druckspeicher nicht isoliert
sind, dann nähert sich bei längeren Haltezeiten die Speichertemperatur der
Umgebungstemperatur an. Dadurch geht die beim Befüllungsvorgang entstandene
Wärmemenge verloren. Die fehlende Wärme und Temperatur führt beim Entleerungsvorgang
des Speichers zu einer Abkühlung der gespeicherten Druckluft auf ein Niveau unterhalb der
Umgebungstemperatur. Diese Abkühlung kann außerdem zum Auskondensieren von
Wasserdampf oder zur Eisbildung führen.
Eine möglichst große Grundbefüllung und ein großer Druckspeicher senken die
Temperaturschwankungen und damit die Verluste, wobei als Nebeneffekt das
Auskondensieren von Wasser und die Gefahr des Einfrierens von Anlagenkomponenten
reduziert werden. Gleichzeitig erhöhen aber ein stabilerer Drucktank für höhere Drücke und
ein größeres Druckspeichervolumen die Investitionskosten des Druckluftspeichers. Dem
entgegen können bei zu kleinem Tank oder zu niedriger Grundbefüllung die Temperaturen
im Speicher soweit ansteigen beziehungsweise abfallen, dass durch hohe
Materialbelastungen gegebenenfalls hochwertige Werkstoffe für den Speicher, aber auch für
Druckluftleitungen und Ventile verwendet werden müssen, was die Investitionskosten
ebenfalls anheben kann. Hier ist in Abhängigkeit von den Randparametern wie Platzangebot
und benötigter Speicherkapazität das Optimum zu finden.
4.1.3
Druckbehälterbau
Im Behälterbau wird heute ein breites Spektrum an Druckbehältern als fertiges
Anlagenmodul oder in Einzelanfertigung angeboten.
Behälter oder Rohranlagen, deren Druck 0,1 bar über dem Umgebungsdruck liegt, fallen
unter die Druckbehälterverordnung nach der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter. [Roloff 1]
Abb. 4-5 Belastungen an einem geschweißten Drucktank als
Tangential-, Längs- und Radialspannung [Roloff 1]
Für Druckgasbehälter existieren Technische Regeln gemäß TRD, TRG und TRGL. Einfache
Druckbehälter können auch nach DIN EN 286 ausgelegt werden. [Roloff 1]
In Druckbehältern mit zylindrischen Querschnitten liegen gleichmäßig verteilte Belastungen
vor. Als Abschluss ist eine Halbkugelform am günstigsten, insbesondere für Kraftverläufe
und Werkstoffausnutzung. Bei gleichen Belastungsvoraussetzungen wird für die
Halbkugelabschlüsse lediglich die halbe Wandstärke des Zylindermantels benötigt. Normen
und Auslegungsvorschriften für verschiedene Belastungen und Werkstoffkennwerte mit
entsprechenden Sicherheitszuschlägen sind dem Fachmann bekannt. Sonderanbauteile wie
Stutzen oder Deckel sind ebenfalls reglementiert. [Roloff] [DubbelA 1]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
22
Die Kosten für den gebauten Druckspeicher liegen erheblich höher, wenn neben hohen
Drücken, also Belastungszuständen, auch hohe Temperaturen vorliegen. Kostenintensivere
Werkstoffe und Legierungen, die Temperaturen von über 200 °C standhalten müssen,
bezeichnet man als warmfest [Bargel 1]. Bei niedrigen Temperaturen lässt zudem die
Zähigkeit von Werkstoffen nach [Bargel 2]. Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die
Zeitdehngrenze, Kerbschlagzähigkeit und die Zeitstandfestigkeit ist neben der
Materialstärke, dem Belastungszustand und den Materialeigenschaften die Temperatur
[Bargel 3].
Gebaute Druckspeicher sind eine erprobte Technologie zum Speichern von unter Druck
stehenden Gasen. Wie bereits erwähnt sind oberirdische Druckbehälter den
Temperaturschwankungen
der
Umgebung
ausgesetzt.
Zur
Vermeidung
von
Temperaturschwankungen bietet sich ein Einbringen der Druckspeicher in den Untergrund
an. Neben den Temperaturschwankungen wird so auch eine Landschaftsveränderung
vermieden, die bei einer Anlagengenehmigung je nach Standort eine große Rolle spielen
kann.
Der allgemein bekannte ideale oberirdische Drucktank besitzt eine Kugelform. Die
Kugeloberfläche als Wärmeübertragungsfläche ist gegenüber der eingeschlossenen
Gasmasse im Innenvolumen optimal klein. Und die Kugelform erlaubt, wie bereits angeführt,
minimale Wandstärken.
In der Praxis sind große, kugelförmige Speicher sperrig und können nur mit großem
Aushubaufwand in der Erde vergraben werden. Deshalb ist eine Kombination aus langen,
zylindrischen Körpern und halbkugelförmigen oder gewölbten Abschlussböden zu
bevorzugen. Solche rohrartigen Strukturen lassen sich in geringer Tiefe verlegen und
ermöglichen eine anschließende Bewirtschaftung der belegten Fläche zum Beispiel als
Weideland oder als andere Nutzfläche.
Als zylindrische Komponente kommen bei Druckluftspeichern zum Beispiel Pipelines in
Frage. Im Angebot der Salzgitter Flachstahl GmbH [Salzgitter] finden sich beispielsweise bis
rund 200 bar beaufschlagbare Rohre unterschiedlicher Durchmesser als Serienware, die für
die Öl- und Gasindustrie angeboten und vorgehalten werden. Der Vorteil dieser Pipelines ist,
dass diese bereits für den Einsatz im Boden konzipiert und ausreichend erprobt sind.
Bei gebauten Gleitdruckspeichern müssen in Anlehnung an die Betrachtungen aus Kapitel
4.2.2 zudem Vorrichtungen für die Abfuhr von Kondenswasser vorgesehen werden.
Außerdem
sollten
ausreichende
Grundbefüllungen
beziehungsweise
Speichergesamtvolumina eingeplant werden, damit die Druckbehälter weder zu hohen noch
zu niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich teure
Legierungen vermeiden und die Speicherkosten senken.
4.1.4
Kavernen als Druckspeicher
Salzsteinkavernen werden seit rund 60 Jahren für die Speicherung von flüssigen oder
gasförmigen Medien genutzt. 2008 gab es in Deutschland rund 250 Speicherkavernen. Die
erste Nutzung einer Salzkaverne für die Druckluftspeicherung erfolgte 1978 mit der
Inbetriebnahme des Druckluftspeichers Huntorf in Deutschland. [Sommer 1]
Prinzipiell ist die Erstellung von Kavernen ein langfristiger und aufwändiger Vorgang
[Griesbach]. So dauerte beispielsweise die Ausspülung, das Solen, einer 800.000 m³ großen
Salzkaverne durch die Firma KBB Underground Technologies [Acht] rund 3 Jahre.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
23
Abb. 4-6 Solen einer Kaverne in Salzgestein [Acht]
Die Darstellung zeigt den Fortschritt des Solens einer Salzkaverne. Mit Wasser wird das Salz
gelöst und ausgespült. Durch den Solevorgang wird eine rotationssymmetrische Kaverne
geschaffen. Die orangefarbene Linie zeigt das nahezu lineare Anwachsen des
Innenvolumens über die Solezeit. Die linke Achse zeigt die Tiefe, auch Teufe genannt.
Inklusive Planungszeit kann das Solen einer Kaverne bis zu 10 Jahre dauern [Acht].
Abb. 4-7 Druckarbeitsbereich einer Kaverne [Acht]
Der maximale zulässige Druck pmax in einer Kaverne richtet sich nach dem Gegendruck des
umliegenden Gebirges pGebrige. Gleichzeitig dient ein minimal zulässiger Druck pmin in der
Kaverne der Stabilisierung der Kavernenwände. Als Berechnungsgrundlage dient die Tiefe
des Rohrschuhs der Kaverne. Auf diese Weise lassen sich der maximale und minimale
Arbeitsdruck berechnen. [Acht]
Die Kosten pro m³ für die Herstellung einer Kaverne sinken vor allem mit steigender Größe.
So werden bei einer Kavernengröße von 1,5 Mio. m³ Kosten von rund 30 €/m³ möglich,
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
24
während bei kleineren Kavernen mit 1 Mio. m³ Volumen die Kosten bereits bei rund 50 €/m³
liegen. Sehr kleine Kavernen, zum Beispiel mit 250.000 m³ Volumen, liegen bei rund 70 bis
100 €/m³. Zudem lassen sich die Kosten für eine Kaverne nicht verallgemeinern, sondern
hängen von diversen Standortfaktoren und geplanten Betriebsparametern ab. [Acht]
Kavernen sind Druckspeicher, die einen erheblichen Investitionseinsatz erfordern. Der
Nutzen, die Kaverne als Druckspeicher zu verwenden, muss entsprechend hoch sein, um die
Investitionen in sinnvollen Amortisationszeiten aufzuwiegen.
Eine Alternative zu Kavernen stellen poröse Untergründe dar, in denen ebenfalls
Druckmedien gespeichert werden können. Durch eine stabile Unterfüllung aus CO2 lässt sich
laut aktuellen Untersuchungen die Speicherkapazität pro Volumen in solchen
Untergrundspeichern erheblich steigern. [Oldenburg]
4.1.5
Andere potenzielle Druckspeicher
Anfragen beim Oberbergamt Clausthal-Zellerfeld [OBA] und beim Institut für Erdöl- und
Erdgastechnik an der TU Clausthal [ITE] haben weitere Informationen zu potenziellen
Druckspeichern ergeben:
Danach ist es je nach geologischer Beschaffenheit des umliegenden Gesteins prinzipiell
möglich, auch in stillgelegten Bergwerken Druckluft zu speichern. Neben der Mächtigkeit des
Gesteins oberhalb infrage kommender Schächte oder Stollen spielt vor allem die Dichtheit
des Gesteins eine wesentliche Rolle. Bei Salzkavernen kann von einer Dichtheit des
Gesteins ausgegangen werden, während bei zahlreichen anderen Gesteinsschichten diese
Eigenschaft nicht gegeben ist. Mit entsprechenden Maßnahmen wäre es zumindest
theoretisch denkbar, auch diese Bergwerke luftdicht abzuschließen. Der finanzielle und
technische Aufwand dafür ist unbekannt. Des Weiteren unbekannt ist der unter Umständen
destabilisierende Einfluss von Wechselbelastungen einer Druckluft-Gleitdruckspeicherung in
stillgelegten Bergwerken.
Ebenfalls als Druckspeicher denkbar sind bisher ungenutzte Bunkeranlagen, insbesondere
Tiefbunker oder unterirdische Anlagen. Bunker verfügen häufig über zum Teil meterdicke
Stahlbetonwände, die das Potenzial zum Ertragen hoher Drücke bieten könnten. Quellen,
inwieweit solche Bunkeranlagen als Druckspeicher geeignet oder nutzbar sind, sind nicht
bekannt.
Eine Druckspeicher-Technologie, in diesem Fall als Gleichdruckspeicher für Druckluft,
untersucht Prof. Seamus Garvey an der Nottingham University [Garvey] in einem von E.ON
[EON] geförderten Forschungsprojekt. Die Druckluft wird in großen, elastischen Ballons
mehrere hundert Meter unter der Meeresoberfläche gespeichert. Der Speicherdruck in bar
entspricht in etwa einem Zehntel der Wassertiefe in Metern, so dass beispielsweise in 400 m
Wassertiefe bereits rund 40 bar Speicherdruck realisierbar sind. Erste erfolgreiche praktische
Versuche fanden im März 2012 statt.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
25
Abb. 4-8 Unterwasserdruckspeicher mit Ballon [Garvey]
Die Achillesverse dieser Technologie sind die hohen Kosten für das Halten der Druckballons
am Meeresgrund. Prof. Garvey hofft diese Kosten von den üblichen 20.000 £/t mit einer
eigenen Technik auf etwas mehr als 500 £/t senken zu können.
Eine ähnliche Technologie wird im Lake Ontario erprobt, erste Ergebnisse einer Studie
liegen dazu vor. Trotz der geringen Wassertiefe von bis zu maximal 244 Metern ist die
Technik vielversprechend. [Cheung]
4.2
Wärmeübertragung, Wärmespeicher und Wärmepumpen
Wie bereits anhand der Wirkungsgrade verschiedener CAES-Konzepte gezeigt wurde, ist die
Speicherung der Kompressionswärme in Druckluftspeichern für den erzielbaren
Wirkungsgrad von großer Bedeutung. Es werden deshalb zunächst verschiedene Wege der
Wärmeübertragung und Techniken zur Speicherung von Wärme aufgezeigt, außerdem
Wärmepumpen für den möglichen Einsatz in Druckluftspeichern erörtert.
4.2.1
Wärmeübertragung in Kraft- und Arbeitsmaschinen
Voraussetzung für eine effiziente Kraft- oder Arbeitsmaschine zum Umsetzen von Wärme in
nutzbare mechanische oder elektrische Energie beziehungsweise umgekehrt, wie sie auch in
adiabaten Druckluftspeichern eingesetzt werden, ist eine gute Wärmeübertragung. Denn von
den in der Maschine erreichten Temperaturen hängt maßgeblich der Umsatzgrad, also der
Wirkungsgrad, ab.
Für den Wirkungsgrad thermodynamischer Prozesse, die dem Bereitstellen von technisch
nutzbarer Energie dienen, stellt der Carnot-Wirkungsgrad die theoretische Obergrenze dar.
Praktisch ausgeführte Maschinen können diesen Wirkungsgrad nicht erreichen, weil im
Carnot-Prozess von reversiblen, verlustlosen Zustandsänderungen ausgegangen wird. Der
Carnot-Wirkungsgrad hängt ausschließlich von der zur Verfügung stehenden Kühltemperatur
T0 und der maximal auftretenden Prozesstemperatur T ab. [Baehr 4]
Carnot  1 
T0
T
(4-1)
Der Carnot-Wirkungsgrad lässt sich als Funktion über die Prozesstemperatur für eine
vorgegebene Kühltemperatur, zum Beispiel 20, 40 und 60 °C, darstellen.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
26
Abb. 4-9 Carnot-Wirkungsgrad über Prozesstemperatur
Der Verlauf des Carnot-Wirkungsgrades ist für Prozesstemperaturen bis 2.000 °C
dargestellt, die in etwa den Verbrennungstemperaturen in einem Ottomotor [Merker 1]
entsprechen. Real erreichen Ottomotoren heute Wirkungsgrade zwischen 30 und 40 % im
Teillastbereich [Merker 2], was unterhalb der Hälfte des Carnot-Wirkungsgrades liegt.
Ein Anteil der Verluste in real ausgeführten Maschinen resultiert aus dem Umstand, dass
Temperaturen nicht vollständig von dem Kühl- oder Heizmedium in den Prozess eingetragen
werden können, weil Übertragungszeiten- und flächen begrenzt sind.
In den meisten Fällen findet eine indirekte Wärmeübertragung statt, bei der die beiden
Medien, die Wärmeenergie austauschen sollen, durch eine wärmedurchlässige Wand
konstruktiv getrennt sind [VDI-WA 1]. Solche Wärmeübergänge finden in handelsüblichen
Wärmeübertragern, auch Rekuperatoren oder Wärmetauscher genannt, statt. Verwendet
werden können Gleich-, Kreuz-, und Gegenstromwärmeübertrager, wobei mit dem
Gegenstromverfahren die besten Wirkungsgrade mit rund 80 bis 90 % erreicht werden
[Kurzweil 1]. Wärmetauscher sind verfügbar für Temperaturbereiche von -100 bis 1.400 °C
und für Druckbereiche bis 500 bar [DubbelB 1].
Abb. 4-10 Gegenstrom- und Gleichstrom-Wärmetauscher,
Temperaturverläufe [Baehr 5]
Bei direkter Wärmeübertragung stehen die Medien bei dem Wärmeaustausch in
unmittelbarem Kontakt. Typische Anwendungen sind Heiz- oder Kühlprozesse von
Feststoffprodukten oder die Berieselung von Gasen zur Kühlung oder Aufheizung mit einer
Flüssigkeit [VDI-WA 1].
Die halbindirekte Wärmeübertragung erfolgt, indem die beteiligten Medien in zeitlichem
Versatz unmittelbaren Kontakt zu einem dritten Medium, meistens einer Feststoffmatrix,
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
27
haben. Anwendung findet diese sehr effiziente Art der Wärmeübertragung beispielsweise in
Regeneratoren oder Schüttwärmespeichern [VDI-WA 1].
4.2.2
Flüssigkeits-Wärmespeicher
Flüssigkeits-Wärmespeicher gehören zu den sensiblen Wärmespeichern, bei denen der
Energiegehalt einzig von der Temperatur abhängt. Im Allgemeinen wird mittels indirekter
Wärmeübertragung [VDI-WA 1] dem wärmeführenden Fluid die Wärme entzogen und durch
eine Trennwand dem Speichermedium zugeführt. Aber auch direkte Wärmeübertragung,
zum Beispiel in Form einer Flüssigkeits-Rieselanlage bei Gegenstrom eines Gases, ist
denkbar.
Als Wärmeträgermedium kommt für Betriebstemperaturen bis ca. 100 °C vor allem Wasser
zum Einsatz, da Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität besitzt [Herwig 1].
Bei Einsatztemperaturen bis knapp unter 400 °C bieten sich sogenannte Thermoöle an, die
zum Beispiel in Thermosolaranlagen erfolgreich eingesetzt werden [Böttcher 1]. Diese
synthetischen Öle besitzen eine geringere Wärmekapazität und Dichte als Wasser, weshalb
größere Mengen für eine vergleichbare Wärmekapazität benötigt werden. Der Einsatz von
Thermoölen ist mit hohen Investitionskosten verbunden [Böttcher 1].
Ein weiteres erprobtes Medium zur Wärmespeicherung bei Temperaturen bis deutlich über
400 °C stellen Salze, insbesondere Nitratsalze, dar. Der Nachteil dieser Salze ist, dass sie
unterhalb von 250 °C kristallisieren können und dann ihre Pumpfähigkeit verlieren.
Anlagenteile, durch die diese Salze fließen, müssen deshalb beheizbar sein. [Böttcher 2]
Eine besondere Bauform der flüssigen Energiespeicher ist der sogenannte Schichtspeicher.
Dabei wird die wärmetragende Flüssigkeit im Speichertank möglichst wenig durchmischt.
Schichten warmer Flüssigkeit liegen auf diese Weise stabil auf Schichten kälterer Flüssigkeit.
Ausgekoppelt wird die Wärme jeweils in der Schicht, deren Temperatur der benötigten
Temperatur am nächsten liegt. Die Einspeisung von Wärme erfolgt analog in einer Schicht
mit einer Temperatur, die der Temperatur der zugeführten Wärme am nächsten liegt. Für
Schichtspeicher werden deshalb idealerweise mehrere Wärmeübertrager oder Zu- und
Abflüsse in verschiedenen Schichthöhen benötigt. [Lüdemann 1]
Abb. 4-11 Schichtspeichermodell [Lüdemann 1]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
28
Flüssigkeitsspeicher als sensible Wärmespeicher erhalten als Schichtspeicher mit
Temperaturschichtung die gespeicherte Energie effektiver als ein Mischspeicher. Über freie
Konvektion und vor allem Wärmeleitung kommt es bei längeren Speicherzeiten trotz
Schichtung zum Temperaturausgleich zwischen den Schichten. [Lüdemann 1]
Wenn die Arbeitstemperatur einen nahezu konstanten Wert besitzt, ist ein probates
Vorgehen, das wärmetragende Medium im kalten und im warmen Zustand räumlich
voneinander getrennt in separaten Tanks zu lagern. Man spricht auch vom 2-Tank-Speicher.
Der Bauaufwand hierfür ist hoch, die Energieerhaltung aber am effektivsten. [Steinmann 1]
[Rebhan 1]
Gut handhabbare Flüssigkeitswärmespeicher sind damit vor allem bei niedrigen
Temperaturen bis rund 400 °C sinnvoll. Durch die in den meisten Fällen indirekte
Wärmeübertragung können die Verluste unter Umständen relativ hoch werden.
Wärmetauscherwandstärken und damit auch die der Übertragungsaufwand und die Verluste
erhöhen sich außerdem, wenn das zu kühlende Medium und das Kühlmedium bei
unterschiedlichen Drücken vorliegt. Davon darf bei Druckluftspeichern ausgegangen werden.
4.2.3
Feststoff-Wärmespeicher
Die Feststoff-Wärmespeicher gehören ebenfalls zu der Gruppe der sensiblen
Wärmespeicher. Im Allgemeinen wird mittels halbindirekter Wärmeübertragung [VDI-WA 1]
dem wärmeführenden Fluid die Wärme entzogen und zu einem späteren Zeitpunkt direkt
dem Speichermedium zugeführt.
Als Speichermedium bekannt sind Gesteine, Sand, Kies, Beton, Ziegel, Keramiken und
Gusseisen. Aber auch andere Feststoffe mit hoher Wärmekapazität, Dichte und
Wärmeleitfähigkeit sind prinzipiell geeignet, solange sie sich nicht unter
Temperatureinwirkung chemisch oder physisch verändern. [Rummich 3]
Der einfachste Aufbau eines Feststoffspeichers ist eine lose Schüttung eines Feststoffs,
durch die zum Wärmeaustausch ein Gas strömt oder eine Flüssigkeit fließt. Solche Speicher
lassen sich nahezu in beliebiger Größe bauen. [Herwig 1]
Für diverse Wärmespeicheranwendungen, insbesondere für die Luftvorwärmung in
Brennöfen oder artverwandten Verfahren, sind auf dem Markt Speicherkeramiken in
unterschiedlichsten Formen verfügbar. Das Material kann je nach Einsatzzweck gewählt
werden und ist gegen chemische und thermische Zersetzung resistent. Typische
Ausführungen sind sechseckige, dreieckige, runde oder quadratische Kanäle in einer BlockMatrix. Aluminiumkeramiken gelten in der Regel bis etwa 1.300 °C als hitzebeständig, bei
einer Dichte von rund 2.400 kg/m³ und einer Wärmekapazität von rund 1.000 J/kgK.
[Alibaba].
Abb. 4-12 Speicherkeramik mit quadratischen Kanälen [Alibaba]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
29
Bei Einrechnung des jeweiligen Lückengrades erreichen die Keramik-Matrizen je nach
Ausführung Dichten von wenigen 100 kg bis hin zu rund 1.000 kg/m³ bei sehr großen
Oberflächen. [Alibaba]
Die Vorteile der Wabenkeramik liegen in sehr guter Wärmerückgewinnung, geringem
Druckverlust und einer geringen Ablagerungstendenz von Partikeln durch gerade
Strömungsführung. [Ibiden]
Die Verwendung dieser Speicherkeramiken für Druckluftanwendungen ist naheliegend, da
das Material hitzebeständig und günstig in der Anschaffung ist. Zusätzlich erfüllt solch ein
Wärmespeicher noch die Funktion der Wärmeübertragung, so dass keine zusätzlichen
Komponenten dafür benötigt werden.
Einen speziellen Wärmespeicher für den adiabaten Druckluftspeicher ADELE hat die Firma
Züblin [Züblin] entwickelt und patentiert [ZÜP].
Abb. 4-13 Wärmespeicherpatent der Firma Züblin [ZÜP]
Das Patent der Firma Züblin betrifft Ansprüche für Druckbereiche über 65 bar. Der Mantel
des Wärmespeichers besteht aus vorgespanntem Stahlbeton mit Kohlefaserspanngliedern.
Hitzebeständige Schichten trennen das keramische Speichermaterial von einer
Isolierschicht, die den Beton vor Temperaturen von rund 650 °C schützen sollen. [P14]
Die senkrechte Anordnung des Wärmespeichers ist in adiabaten Druckluftspeichern vor
allem bei langen Haltezeiten sinnvoll. Es kommt zu einer Temperaturschichtung der im
Speicher vorhandenen Restluft, wobei sich warme Luft oben und kalte Luft unten sammelt.
Solange keine Drücke von über 65 bar erreicht werden, wird das Patent der Firma Züblin
nicht berührt.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
30
Abb. 4-14 Beladung einer Regeneratormatrix [VWA Nb10]
Die Abbildung zeigt die erste Beladung eines Feststoffwärmespeichers, wobei feuchte,
warme Luft von rechts in die Matrix strömt und über die Zeit die Matrix in Strömungsrichtung
erhitzt. [VDI-WA 2]
Besonders effizient sind Feststoffwärmespeicher, wenn sie als Regenerator halbindirekt
betrieben in kurzen Zyklen be- und entladen werden, wie es beispielsweise in
Rotationsregeneratoren der Fall ist. [VDI-WA 3]
Um eine Vorstellung von den Wärmeübertragungen in einem Feststoffspeicher bei längeren
Zyklendauern zu erhalten, wurde im Zuge dieser Arbeit unter anderem eine SimulinkSimulation eines Feststoffwärmespeichers erstellt.
Abb. 4-15 Simulink-Modell des Wärmespeichers
Die Spezifikationen des Feststoffspeichers (grün) können je nach verwendeter
Speichermatrix angepasst werden. Andere Prozess-Werte wie der Luftmassenstrom werden
durch den Buseingang 7 in das Modul übertragen. Ausgegeben werden die Lufttemperaturen
an verschiedenen Orten im Wärmespeicher. Der Wärmeübergangskoeffizient wird in diesem
Modell vereinfachend als konstant und die Luft als trocken angenommen. Die
Wärmekapazitäten variieren nicht über die Temperatur. Der Massenstrom der Luft beträgt
1,5 kg/s. Die Luft strömt mit einer Temperatur von 140 °C in den Wärmespeicher.
Abb. 4-16 Aufbau des Wärmespeicher-Moduls mit 10 Einzelmassen
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
31
Das Wärmespeichermodell besteht aus zehn gleich großen, nacheinander durchströmten
Einzelmassen, die als Einheit jeweils Wärme mit der Luft austauschen. Die zehn
Lufttemperaturen hinter diesen Einzelmassen werden als „T Luft Verlauf“ ausgegeben.
Innerhalb des Moduls befinden sich Lösungen für die Differenzialgleichungen für den
Wärmeübergang zwischen Luft und Wärmespeichermaterial. Eine Herleitung der
Gleichungen erfolgt hier nicht. Im Anhang befindet sich unter Abb. 12-1 eine Grafik, anhand
der sich der Aufbau des Modells nachvollziehen lässt.
Die Ausgabe der Lufttemperaturen vermittelt einen ersten Eindruck über das Verhalten eines
sensiblen Feststoff-Wärmespeichers mit 3.000 kg Masse in einem Druckluftspeicher mit
einem Luftmassenstromdurchsatz von 1,5 kg pro Sekunde über einen Zeitraum von einer
Stunde, also 3.600 s.
Abb. 4-17 y-Achse Temperatur in °C, x-Achse Zeit in Sekunden, die Kurven entsprechen von links nach
rechts den Luft-Temperaturen an der Zuströmseite (links) und am Austritt (rechts)
Nach rund 10 Minuten, also 600 s, ist die Wärmekapazität dieses Wärmespeichers als
Kühlung insofern erschöpft, dass sich bereits erste deutliche Temperaturerhöhungen in der
Luft am Ausgang des Wärmespeichers (gelbe Kurve ganz rechts) bemerkbar machen. Nach
etwa einer Stunde nimmt der Speicher kaum noch Wärme auf, was daran zu erkennen ist,
dass die Luft am Ausgang des Wärmespeichers nahezu die Temperatur der zuströmenden
Luft von 140 °C besitzt.
Damit ist exemplarisch gezeigt, dass ein Feststoff-Wärmespeicher auch bei längerer
Zyklendauer Wärme innerhalb zu ermittelnder Zeiträume zuverlässig aufnimmt und
gleichzeitig die Funktion einer Kühlung der Luft übernehmen kann.
4.2.4
Latente Wärmespeicher
Als latente Wärmespeicher bezeichnet man solche, bei denen der reversible
Phasenübergang vom festen zum flüssigen Zustand einer Substanz für eine Erhöhung der
Speicherkapazität sorgt. Der Phasenübergang findet dabei bei einer nahezu konstanten
Temperatur statt, wobei die Erstarrungs- beziehungsweise Schmelzenthalpie abgegeben
beziehungsweise aufgenommen wird. Typische Substanzen für diese Anwendung sind
Paraffine, Salzhydrate oder auch Wassereis. Über die Wahl des Materials lassen sich die
Temperaturen auf den Anwendungsfall anpassen. Da die Phasenwechselmaterialien in der
Regel schlechte Wärmeleitungswerte besitzen, sind große Übertragungsflächen notwendig.
Die Speicherdichte ist in der Regel höher als bei sensiblen Wärmespeichern. [Herwig]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
32
Erste Entwicklungen zur Speicherung von Wärme oder Kälte in latenten Wärmespeichern
liegen bereits rund vierzig Jahre zurück. Über Wärmetauscher wird die Wärme in einen
Speicher eingebracht beziehungsweise diesem entzogen. Der Speicher selbst besteht aus
einer Matrix, hier Kugeln, mit einem Phasenwechselmaterial. [P13]
Abb. 4-18 Latenter Wärmespeicher, 1970 [P13]
Der Optimierung der Dynamik von solchen Latentwärmespeichern wird zurzeit unter
anderem am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
(IFAM) nachgegangen. Für eine bessere Wärmeübertragung wurden mit einem
Phasenwechselmaterial befüllte Metallhohlkugeln entwickelt. [IFAM]
Abb. 4-19 Metallhohlkugeln mit Phasenwechselmaterialen [IFAM]
Diese Kugeln lassen sich zudem in Metallschäume mit Lückengraden um 10 % einbetten,
wodurch die Wärmeleitung erheblich verbessert wird. [IFAM]
Latente Wärmespeicher stellen mit ihrer im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichern höheren
Speicherdichte und der konstanten Phasenwechseltemperatur eine gute Möglichkeit zur
Wärmespeicherung dar. Nachteilig dürften sich der schlechte Wärmeübergang in den
Phasenwechselmaterialien selbst sowie der erhebliche Bau- und damit Produktionsaufwand
auswirken.
4.2.5
Chemische Wärmespeicher
Chemische Wärmespeicher sind die Technologie, der aktuell das größte Potenzial bei der
Speicherung von Wärme zugesprochen wird, weil sie bei den spezifischen
Wärmekapazitäten noch vor den Phasenwechselmaterialien liegen. Zugrunde liegt dieser
Technologie eine reversible chemische Reaktion, die beim Speichervorgang endotherm und
beim Ausspeichervorgang exotherm geführt wird. In den meisten Fällen werden Reaktionen
zwischen einem Gas und einem Feststoff eingesetzt. Für verschiedene Einsatztemperaturen
lassen sich passende Stoffkombinationen einsetzen. [Kerskes]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
33
Abb. 4-20 Stoffkombinationen verschiedener Einsatztemperaturen [Kerskes]
Als Speichermatrix können aktive und passive Trägerstrukturen zum Einsatz kommen, wie
beispielsweise zeolithische Wabenstrukturen, Schüttmaterialen oder metallische Schäume.
[Kerskes]
Abb. 4-21 Verschiedene Trägerstrukturen [Kerskes]
Neben der hohen Speicherdichte ist insbesondere die verlustlose Langzeitspeicherung der
Wärme ein großer Vorteil dieser Wärmespeicher. Die Speicherdichte ist unter anderem von
den verwendeten Stoffpaarungen abhängig. Dazu existieren bereits durch Experimente
ermittelte Werte. [Kerskes]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
34
Abb. 4-22 Experimentell validierte Speicherdichten [Kerskes]
Gegenüber einer Speicherung der Wärmeenergie bei einer Temperaturdifferenz von 50 K in
Wasser als sensibles Speichermedium erreichen die chemischen Wärmespeicher
Speicherdichten vom bis zum fünffachen Wert bei 250 kWh/m³. [Kerskes]
Zu beachten ist, dass bei höheren Differenztemperaturen als 50K die Speicherdichte von
sensiblen Wärmespeichern ebenfalls deutlich zunimmt. Allerdings steigen dann auch die
Wärmeverluste und der Isolationsaufwand bei längeren Haltezeiten.
Ein Problem der chemischen Wärmespeicher ist die Zyklenfestigkeit. Der Umsatzgrad der
Speichermasse in der chemischen Reaktion sinkt im Allgemeinen mit der vom System
durchgeführten Anzahl von Speicherzyklen. Gründe dafür können unerwünschte, chemisch
stabile Nebenprodukte oder die Durchmischung verschlechternde Umordnungsprozesse der
Speichermatrix sein. [HSG]
Abb. 4-23 Zyklenfestigkeit [HSG]
Für einige Stoffkombinationen stellt sich ein relativ konstanter Umsatzgrad ein, während
andere Materialen zu einem hohen Abbau an Speicherkapazität neigen. An besonders
zyklenfesten Stoffpaarungen wird zurzeit geforscht. [HSG]
Zudem ist bei chemischen Wärmespeichern durch eine Anpassung des Arbeitsdrucks in
solchen Prozessen eine Auskopplung der Wärme auf einer höheren Temperatur möglich.
[Kerskes]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
35
Abb. 4-24 Einfluss des Drucks auf die Temperatur [Kerskes]
Am Beispiel der Stoffpaarung Kalziumoxid CaO und Wasser ist die Abhängigkeit der
Prozess-Gleichgewichtstemperatur in Abhängigkeit vom Wasserdampfdruck aufgetragen.
Die Arbeitsgruppe Thermische Batterie unter der Leitung von Dr. Thomas Schmidt am
Institut für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie arbeitet unter anderem an Methoden,
sich diese Druckabhängigkeit der chemischen Prozesse zunutze zu machen und in gewissen
Grenzen die Temperatur für den Ein- und Ausspeichervorgang steuerbar zu machen. Damit
kann der chemische Wärmespeicher ähnlich wie eine Wärmepumpe eingesetzt werden.
Ein Prototyp eines chemischen Wärmespeichers auf der Basis von anorganischen Salzen
und Wasser soll im nächsten Jahr an der Leuphana Universität am Institut für Umweltchemie
unter dem Projekt „Thermische Batterie“ entstehen. [Schmidt]
Ein chemischer Wärmespeicher kann damit zusammenfassend formuliert also auch längere
Speicherzeiten verlustlos überbrücken und zugleich die Funktionen einer Wärmepumpe
übernehmen. Es besteht an mehreren Details jedoch noch Forschungsbedarf.
4.2.6
Verdampfermaschinen als Wärmepumpen
Eine Aufwertung von Wärme im thermodynamischen Sinne erfolgt durch die Anhebung der
Temperatur. Dafür können Wärmepumpen eingesetzt werden.
Allgemein bekannt ist diese Technik in der sogenannten Erdwärmeheizung. Dabei werden
die große Wärmekapazität und die gleichmäßige Temperatur des Untergrunds als
Energiequelle für Heizungswärme herangezogen. Eine elektrisch betriebene Wärmepumpe
hebt die Temperatur der so gewonnenen Untergrundwärme auf das benötigte
Temperaturniveau an. Der Stromverbrauch der Wärmepumpe ist dabei geringer als die
insgesamt erwirtschaftete Heizwärmemenge.
Im industriellen Maßstab finden Wärmepumpen in verschiedensten Ausführungen und
Einsatzgebieten Anwendung. Dabei kann der Antrieb elektrisch, gasbetrieben oder
anderweitig betrieben sein. Generell sind Wärmepumpenanlagen, gerade im höheren
Leistungsbereich, mit hohen Investitionskosten verbunden. [DubbelB 2]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
36
Abb. 4-25 Verdampferwärmemaschine [DubbelB 3]
Der Aufbau einer Wärmepumpe entspricht dem einer Verdichterkältemaschine, wie er
beispielsweise in Kühlschränken verbaut ist. Das Ziel ist bei der Wärmepumpe jedoch die
Erzeugung von Hochtemperaturwärme. Dazu wird ein Kältemittel mit entsprechenden
Verdampfungstemperaturen mit der Pumpe a und der Leistung P auf einen bestimmten
Druck verdichtet. In dem Verdampfer c verdampft das Kältemittel und gibt Wärme ab. Die
Drossel d vermindert den Druck des gasförmigen Kältemittels soweit, dass es bei dem
Verflüssiger b kondensiert. Die im Verflüssiger zugeführte Wärmemenge ist die
Niedertemperaturwärme, die aufgewertet werden soll. Im Verdampfer entsteht die
gewünschte Hochtemperaturwärme. [DubbelB 3]
Eine wichtige Größe zur Beschreibung von Wärmepumpenprozessen ist die Leistungszahl .
Für reversible Prozesse lässt sie sich aus dem Carnot-Prozess ableiten und mittels der
Temperatur der Wärmequelle Tu und der zu erreichenden Temperatur To beschreiben.
[Lucas 1]
rev 
To
To  Tu
(4-2)
Gleichzeitig ist die Leistungszahl der Quotient von abgegebener Wärmemenge Q o bei der
gewünschten Temperatur To und der eingesetzten elektrischen Energie Wel. Gute Mittelwerte
der Wirkungsgrade für die Umwandlung der Wärmeenergie Wp liegen bei 36 % [DubbelB 2].
  rev  Wp 
Qo
Wel
(4-3)
Praktisch erreichbare Werte der Leistungszahl liegen zwischen 3 und 7 [DubbelB 4]. Die
Abhängigkeit der Leistungszahl von der erzielten Temperaturdifferenz kann für festgelegte
Temperaturen der Niedertemperaturquelle berechnet und im Diagramm dargestellt werden.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
37
Abb. 4-26 Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
Die Leistungszahl fällt generell mit ansteigender Temperaturdifferenz ab. Zusätzlich ist die
Effizienz der Wärmepumpe auch von der Quellentemperatur Tu abhängig. Bei gleicher zu
erreichender Temperaturdifferenz ist die Leistungszahl für hohe Quellentemperaturen höher
als bei tieferen Quellentemperaturen. Im Diagramm sind als Vergleich die Verläufe der
Leistungszahlen für Niedertemperaturquellen bei Temperaturen von 10 beziehungsweise
50 °C eingetragen.
Soll die energetische Gesamtwirtschaftlichkeit von Wärmepumpen betrachtet werden, spielt
auch die Herkunft der Antriebsenergie eine Rolle. Dabei ist wichtig, den Wirkungsgrad der
zuvor erzeugten Energie mit einzubeziehen, die zum Antrieb der Wärmepumpe verwendet
wird. Liegt dieser Erzeugerwirkungsgrad zum Beispiel bei 33 %, dann muss die
Wärmepumpe Leistungszahlen von über 3 erreichen, um energetisch sinnvoll eingesetzt zu
werden.
Mit Wärmepumpen lässt sich unter Verlusten die Temperatur vorhandener Wärmeenergie
erhöhen. Damit sind sie für den Einsatz in thermodynamischen Prozessen interessant, in
denen der Wirkungsgrad erheblich von der Temperatur der zugeführten Wärme abhängt.
Nachteilig ist, dass elektrische Energie notwendig ist, um die Pumpen anzutreiben.
Energetischer Nutzen und energetische Kosten müssen je nach Anwendungsfall abgewogen
werden.
4.2.7
Stirlingmotor als Wärmepumpe
Ebenfalls als Wärmepumpe einsetzbar sind Maschinen, die nach dem Stirlingprinzip
arbeiten. Stirlingmotoren, die zum Beispiel mit einem elektrischen Motor angetrieben werden,
nehmen an einer Seite Wärme auf, um sie auf der anderen Seite als Wärme abzugeben. Die
Nutzung dieses Effekts wird heute jedoch vor allem für Kühlzwecke genutzt [Werdich 1].
Erreichbare Temperaturen dabei liegen je nach Bauweise bei 10,5 bis 20 K [Stephan 1].
Als Wärmepumpen können angetriebene Stirlingmotoren auf der Warmseite Temperaturen
von 800 °C erreichen [Stephan 2], was sie für den Einsatz zur Erzeugung von
Hochtemperaturwärme interessant macht.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
38
Für Stirlingmotoren als Wärmepumpen gelten damit ähnliche Vor- und Nachteile wie für
Wärmepumpen.
4.3
Potenzielle Wärmequellen
Technisch und thermodynamisch ist insbesondere Wärmeenergie mit hoher Temperatur von
Bedeutung, da wie bereits in Kapitel 4.2.1 gezeigt eine Umwandlung von hoch temperierter
Wärme in technisch nutzbare Energieformen wie mechanische oder elektrische Energie
besonders effizient möglich ist. Je höher die Temperatur liegt, desto höher liegt der
theoretische Carnot-Wirkungsgrad.
4.3.1
Wärme aus externen Quellen
Stand 2010 betrug das vorhandene, ungenutzte Abwärmepotenzial in Deutschland rund
280 TWh im Jahr [Groß]. Dieses gilt es zu nutzen. Außerdem werden zur Kompensation von
fluktuierenden
erneuerbaren
Energien
wie
Windkraft
zukünftig
sogenannte
Schattenkraftwerke, vor allem regelbare Gaskraftwerke, benötigt, die in den kommenden
zwei Jahrzehnten teilweise zusätzlich gebaut werden müssen [IWES].
Abb. 4-27 Jahresdauerlinien der Stromerzeugung 2020 [IWES 1]
Ein hoher Bedarf an konventioneller Kraftwerksleistung besteht zukünftig vor allem für kurze
Zeiträume. Dadurch werden nicht regelbare Großkraftwerke strategisch zunehmend
uninteressant, und regelbare konventionelle Kraftwerke mit mehr An- und Abfahrzyklen, wie
zum Beispiel Gaskraftwerke, werden erforderlich.
Neben dem bereits vorhandenen Abwärmepotenzial ist also auch weiterhin mit Abwärme aus
Schattenkraftwerken zu rechnen, die allerdings nur dann laufen, wenn Erzeugerleistung von
Wind- oder Solarstrom wegfällt. Wenn also der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint,
sollte die in konventionellen Schattenkraftwerken anfallende Abwärme für eine effektive
Nutzung zwischengespeichert werden.
4.3.2
BHKWs als Abwärmequellen
Eine Quelle von Abwärme bei Temperaturen zwischen 450 bis 520 °C stellen gasbetriebene
BHKWs dar, zu denen auch die Biogasanlagen gehören. Der Anteil der Abgaswärme beträgt
rund 45 % der insgesamt anfallenden Abwärme. [Gaderer 1]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
39
Die im Kühlwasser anfallende Abwärme mit rund 90 °C wird als thermodynamisch für einen
CAES nicht relevant angenommen.
Abb. 4-28 Wirkungsgrade Biogas-BHKWs [Gaderer 2]
Die praktisch erreichbaren Wirkungsgrade von Biogas-BHKWs erreichen niedrigere
Wirkungsgrade als von den Herstellern angegeben. Zudem wirkt sich die Skalierung hin zu
höheren Leistungen positiv auf den Wirkungsgrad aus. [Gaderer 2]
Unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad einer durchschnittlichen Biogasanlage mit einer
Leistung von 500 kW elektrisch rund 36 % beträgt, folglich also rund 64 % der
Feuerungsleistung als Abwärme anfällt, von der wiederum 45 % als Abgasabwärme verloren
gehen, dann gelangen allein bei einer solchen Biogasanlage täglich rund 10 MWh
Hochtemperaturabwärme ungenutzt mit dem Abgas in die Umwelt.
Betrachtet man beispielsweise das Abwärmepotenzial von 234 Biogasanlagen in SchleswigHolstein Stand 2009, dann wurde zu diesem Zeitpunkt bei nur 27 % der Biogasanlagen
überhaupt Abwärme genutzt, in den meisten Fällen zu Heizzwecken. Da die Stromproduktion
dieser Anlagen im Vordergrund steht, wurde Abwärmenutzung kaum in Betracht gezogen.
Die gesamte elektrische Leistung aller Biogasanlagen allein in diesem Bundesland wird mit
122,32 MW angegeben. [SHB]
Daraus lässt sich analog zur Berechnung für eine Anlage ermitteln, dass die gesamte
Abgasabwärme bei rund 2,46 GWh täglich liegt. Wenn davon 27 % bereits eine
Wärmenutzung, angenommen auch für das Abgas, besitzen, dann bleiben mindestens rund
1,80 GWh Abgasabwärme täglich in Schleswig-Holstein ungenutzt.
Für eine Abschätzung der Hochtemperaturabwärme in ganz Deutschland kann man aktuelle
Zahlen aus dem aktuellen Bestand der Biogasanlagen heranziehen.
Abb. 4-29 Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland [Schütte]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
40
Bundesweit existieren heute rund 7.500 Biogasanlagen in Deutschland, Ende 2011 waren es
7.215 Anlagen. Seit Anfang 2009 hat sich die Anzahl dieser Anlagen damit bis Ende 2011
um den Faktor 1,85 vervielfacht, also fast verdoppelt. Da das EEG im Jahr 2012 [EEG]
erstmals eine Reglementierung der Abwärmenutzung für Neuanlagen beinhaltet, kann man
für alle bis Ende 2011 in Betrieb genommenen Anlagen vereinfachend einen ähnlichen
Abwärmenutzungsgrad annehmen, wie er Anfang 2009 in Schleswig-Holstein vorlag.
Fielen bei den 234 Biogasanlagen in Schleswig-Holstein Anfang 2009 rund 1,80 GWh
Abgasabwärme täglich an, dann verblieben 2011 bei bundesweit 7.215 Anlagen
schätzungsweise rund 55,5 GWh Hochtemperaturwärme täglich, beziehungsweise 20,3 TWh
jährlich, ungenutzt. Das Potential ungenutzter Hochtemperaturabwärme allein bei
Biogasanlagen, die heute und vermutlich noch bis mindestens 2020 zum Bestand zählen, ist
damit beachtlich.
Hinzu kommen ungenutzte Abwärmemengen in anderen stromgeführten BHKWs, deren
Abwärmepotenzial hier nicht näher ermittelt wird.
Bei Biogasanlagen aber auch bei anderen BHKWs, wie beispielsweise den zunehmenden
Schattenkraftwerken, fallen erhebliche Abwärmemengen bei für thermodynamische
Prozesse relevanten Temperaturen an.
4.3.3
Industrielle Abwärme
Aktuelle Studien [Groß] unterscheiden Abwärme nach Temperaturen unter und über 350 °C.
Für thermodynamische Prozesse zur Umwandlung von Wärme in technisch nutzbare
Energieformen ist, wie bereits gezeigt, die Temperatur von großer Bedeutung für den
erreichbaren Wirkungsgrad der Umwandlung – je höher desto besser.
In der Industrie fallen beispielsweise in chemischen Synthese-Prozessen von Phosphor und
Calciumcarbid große Abwärmemengen mit Temperaturen von 750 bis 1.400 °C an. Die
Abwärmemengen wurden 1982 bereits auf 420 beziehungsweise 408 GWh jährlich
geschätzt. [Lambrecht]
Inwieweit diese Zahlen heute noch relevant sind, ist unbekannt. Es zeigt jedoch, dass
zumindest potenziell höhere Abwärmetemperaturen in industriellen Prozessen vorliegen.
Abb. 4-30 Wärme- und Temperaturbedarf in der Industrie [NIU]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
41
Der Wärmebedarf verschiedener industrieller Teilbereiche aus aktuelleren Studien [NIU]
weist ebenfalls darauf hin, dass zumindest potenziell Wärme, und damit ebenso anteilig
Abwärme, ebenfalls in höheren Temperaturbereichen, auch über 1.000 °C, anfallen dürften.
Es existieren also auch in der Industrie Abwärmequellen mit hoher Temperatur und damit
auch mit erheblichem Potenzial für thermodynamische Prozesse.
4.4
Kompressions- und Expansionsmaschinen
Als wichtigste Komponenten eines Druckluftspeichers werden in diesem Kapitel die
benötigten Maschinen recherchiert und analysiert.
Maschinen für die Kompression und Expansion von Gasen unterteilen sich generell in die
Rubriken der Kolbenmaschinen und Strömungsmaschinen. Bei den Kolbenmaschinen wirkt
ein Kolben als Verdränger auf das Gas [DubbelB 5], während bei den Strömungsmaschinen
mittels Schaufeln auf das kontinuierlich strömende Gas eingewirkt wird [DubbelB 6].
Kolbenmaschinen können pro Stufe mehr Energie übertragen als Strömungsmaschinen
[DubbelB 7]. Für hohe Leistungen und Volumenströme kommen insbesondere
Strömungsmaschinen zum Einsatz.
Maschinen, die ihre Energie aus Fluiden entnehmen und zum Beispiel als Wellenarbeit zur
Verfügung stellen, zählen zu den Kraftmaschinen [DubbelB 6]. Maschinen hingegen, mit
denen die Energie in Fluiden durch zugeführte Arbeit erhöht wird, sind Arbeitsmaschinen
[DubbelB 5].
Bei den Kolbenmaschinen existieren heute zahlreiche Variationen mit oszillierenden und
rotierenden Kolben. Hubkolbenmaschinen mit oszillierender Kolbenbewegung weisen in der
Regel eine gute Abdichtung des Kolbens zur Zylinderwand auf. Dadurch sind hohe
Verdichtungsverhältnisse ohne nennenswerte Leckverluste möglich. Von Nachteil sind die
Reibungsverluste von mindestens vier Lagern innerhalb der Maschine, zwei Wellenlager und
zwei Lager am Pleuel, sowie die Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand. Hinzu
kommen je nach Ausführung Reibungsverluste an Kreuzkopf und Stopfbuchse.
Abb. 4-31 Skizze einer Hubkolbenmaschine;
1 Kolben, 2 Pleuel, 3 Kurbelwelle, 4 Kolbenstange, 5 Kreuzkopf, 6 Stopfbuchse [DubbelB 8]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
42
Für den Betrieb in höheren Drehzahlbereichen wird ein Massenausgleich zum Kompensieren
der trägen, oszillierenden Massen der Maschine benötigt. Dadurch werden diese Maschinen
insgesamt schwerer und größer.
Generell wird zudem unterschieden zwischen ölfrei und nicht ölfrei verdichtenden
Kompressoren.
Nach VGB-Richtlinie 16 ist die maximal zulässige Verdichtung für ölgeschmierte Verdichter
je nach Anwendungsfall auf Temperaturen von 100 bis 220 °C begrenzt, um die
Explosionsgefahr zu senken [DubbelA 2]. Befindet sich nach der Kompression Öl oder
Öldampf in der Luft, muss dieses Öl durch geeignete Filter wieder entfernt werden.
Handelsübliche Filter lassen nach eigenen Recherchen maximale Betriebstemperaturen von
rund 150 °C zu.
Aufwändiger gebaut und verschleißungünstiger sind Kolbenverdichter, die ölfrei arbeiten. Als
Dichtmaterial dienen Teflonkolbenringe bis zu Temperaturen von knapp unter 300 °C und
Metallkolbenringe für höhere Temperaturen.
Abb. 4-32 Zweistufiger, ölfreier Kolbenverdichter der Firma Mehrer, 30 bar, 37 kW [Mehrer]
Der hier abgebildete ölfreie Kompressor der Firma Mehrer wird von einem Elektromotor mit
37 kW angetrieben und ist für 400 U/min ausgelegt. Die beachtliche Baugröße bei relativ
kleiner Leistung fällt auf. Zusätzliche Aggregate zur Schmierölversorgung der Pleuel und
Kreuzköpfe sind notwendig. Die in diesem Auslegungsfall mögliche Maximaltemperatur
nach der zweiten Stufe liegt bei 211 °C. [Mehrer]
Die meisten Hubkolbenverdichter sind mit Ventilen ausgestattet. Diese Ventile mit
begrenztem Durchlassquerschnitt verursachen grundsätzlich Druckverluste. [DubbelB 9]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
43
Abb. 4-33 Einzelringventil; 1 Hubfänger, 2 Feder, 3 Ring,
19. Ventilsitz, 5 Montageschraube [DubbelB 9]
Der isentrope Kupplungswirkungsgrad von Hubkolbenverdichtern liegt je nach
Maschinengröße und Ausführung bei der Luftverdichtung zwischen 60 und 84 %. [DubbelB
10]
Prinzipiell können Kolbenverdichter bei entsprechend ausgelegter Regelung der Ventile auch
als Kraftmaschinen mit Druckluft betrieben werden, also auch als Expansionsmaschine
eingesetzt werden. Maschinen mit einem Zylinder benötigen für den Kraftmaschinenbetrieb
in der Regel eine Anfahrhilfe. Die hohen Wirkungsgrade und die Tauglichkeit zur
Kraftmaschine lassen Kolbenmaschinen generell für einen Druckluftspeicher geeignet
erscheinen.
Bei den Rotationskolbenmaschinen gibt es zahlreiche Bauformen für unterschiedlichste
Zwecke [ERK]. Einige Bauarten erlauben einen vollständigen Ausgleich der Massenkräfte
bzw. sind konstruktionsbedingt frei von Massenkräften [DubbelB 5].
Abb. 4-34 c Schraubenverdichter, d Drehschieber Rotationsverdichter, e Flüssigkeitsringverdichter, f Roots-Verdichter, g Drehzahnverdichter, h Scrollverdichter [DubbelB 11]
Die Abdichtung zwischen Arbeitszylinder und Rotationskolben muss sowohl an den radialen
Flanken als auch an der Umfangsflanke gewährleistet sein, wobei die Kolben bei vielen
Bautypen so ausgelegt werden, dass sie sich bei der vorgesehenen Betriebstemperatur
gerade nicht berühren [DubbelB 12]. Ölfreie Maschinen sind immer mit größeren
Leckverlusten verbunden. Reibungsverluste treten für Verdichter mit zwei Rotationskolben
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
44
an mindestens vier Wellenlagern für beide Kolbenwellen und an dem Getriebe für die
Verzahnung der beiden Kolben auf.
Abb. 4-35 C-DLR 500, Elmo Rietschle; a 1.200 mm, c1 525 mm, 2 bar, 36 kW [GardnerD]
Dieser kompakte Hakenzahnverdichter aus der Gruppe der Drehklauenverdichter der Firma
Gardner Denver erreicht ein Verdichtungsverhältnis von zwei bei einer Leistungsaufnahme
von 36 kW. Die Verdichtung ist ölfrei, und auf Nachfrage wurde mitgeteilt, dass eine
Reihenschaltung mehrerer Maschinen dieses Typs ebenfalls möglich sei, so dass auch
höhere Verdichtungsenddrücke möglich sind. Die Hakenzahnrotationskolben laufen
berührungsfrei und benötigen keinen Massenausgleich, weshalb die Maschinen sehr
wartungsarm im Betrieb sind. Der isentrope Kupplungswirkungsgrad liegt je nach
Betriebszustand bei rund 35 %. Nach einer Anpassung des Getriebes kann diese Maschine
auch als Kraftmaschine, also im Turbinenbetrieb, eingesetzt werden. Die mit diesen
Maschinen ohne größere Modifikationen mögliche maximale Betriebstemperatur liegt bei
rund 350 °C. [GardnerD]
Rotationskolbenmaschinen bieten für Druckluftspeicher auch im geringen Leistungsbereich
und bei geforderter kompakter Bauweise erhebliche Vorteile. Sie sind ebenfalls als
Kraftmaschine einsetzbar, erreichen jedoch nur geringe Wirkungsgrade.
Strömungsmaschinen, die zur Verdichtung von Gasen verwendet werden, gehören zu den
Turboverdichtern. Man unterscheidet zwischen axialen und radialen Maschinen, die bei
unterschiedlichen Betriebsparametern eingesetzt werden. [DubbelB 13]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
45
Abb. 4-36 R Radialmaschinen, A Axialmaschinen [DubbelB 13]
Axiale Maschinen, bei denen die Luftverdichtung in Achsrichtung erfolgt, werden vor allem
bei großen Volumenströmen und moderaten Drücken eingesetzt. Radiale Turboverdichter
werden bei hohen Verdichtungsverhältnissen und kleinen bis mittleren Volumendurchsätzen
verwendet. [DubbelB 13]
Abb. 4-37 axialer MAN Turboverdichter mit 2 Radiallagern (8) und 1 Axiallager (7) [DubbelB 14]
Die zu verdichtende Luft strömt von rechts in die Maschine und wird von abwechselnden
Anordnungen aus Leitschaufeln und Laufradschaufeln durch Umlenkung verdichtet.
Axialmaschinen erreichen eine relativ geringe Verdichtung pro Maschinenstufe. [DubbelB 13]
Bei radialen Turboverdichtern erfolgt die Luftverdichtung senkrecht zur Achse. Mit diesen
Maschinen lassen sich hohe Verdichtungsverhältnisse bei kleinen bis mittleren
Volumenströmen verwirklichen. Die Stufenverdichtungsverhältnisse radialer Verdichter
liegen
höher
als
bei
axialen
Maschinen.
Möglich
sind
maximale
Stufenverdichtungsverhältnisse bis zu etwa sechs, allerdings auf Kosten des
Wirkungsgrades. [DubbelB 14]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
46
Abb. 4-38 Radialer MAN Turboverdichter mit 2 Radiallagern (3) und 1 Axiallager (4) [DubbelB 15]
Die Luft strömt links in den Verdichter ein und wird radial durch die Schaufeln im Läufer
beschleunigt und dabei verdichtet. Über Rückführkanäle gelangt die Luft in die nächste
Maschinenstufe. [DubbelB 14]
Turboverdichter, wie sie zum Beispiel von Siemens [Siemens] oder MAN Turbo [MAN]
hergestellt werden, bieten eine Skalierungsmöglichkeit bis in den hohen MegawattLeistungs-Bereich.
Die
Wirkungsgrade
dieser
Maschinen
liegen
je
nach
Maschinenstufenanzahl sehr hoch und sind auch im Teillastbereich bei Drehzahlregelung
noch effizient [DubbelB 16].
Heutige Turboverdichter sind auf maximale Verdichtungsendtemperaturen von rund 300 bis
400 °C beschränkt [Wolf]. Das muss bei den folgenden Ausführungen beachtet werden.
Warmfeste und hitzebeständige Stähle sind bei Wandtemperaturen von rund 300 bis rund
600 °C einsetzbar, wobei gerade bei höheren Temperaturen die Belastungen entsprechend
geringer ausfallen müssen und Bereiche der Zeitfestigkeit erreicht werden [Bargel 4].
Generell erhöhen diese Werkstoffe die Betriebskosten für Anlagen und Maschinen. Bei
hohen Betriebstemperaturen und hohen Belastungen, zum Beispiel an schnell drehenden
Teilen der Turbomaschinen, sind diese Sonderwerkstoffe erforderlich.
Deswegen sind aktuell am Markt verfügbare Kompressoren in der Regel auf Temperaturen
bis rund 300 °C, in seltenen Fällen auch bis maximal 400 °C beschränkt [Wolf].
Für die Expansion von Gasen verwendbare Turbomaschinen finden sich zum Beispiel in der
Kraftwerkstechnik, aber auch in den Expansionsturbinen von Gasturbinen und
Flugzeugtriebwerken. [DubbelB 17][BräunlingA][ BräunlingB]
Die Effizienz des Turbinenprozesses steigt deutlich mit der Eintrittstemperatur des Gases in
die Turbine. Deshalb existieren zahlreiche Techniken, um Turbinen mit hohen Temperaturen
betreiben zu können, ohne die Werkstoffgrenzen zu überschreiten. [DubbelB 18]
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
47
Abb. 4-39 Schaufelkühl-Techniken [DubbelB 19]
Mit steigender Temperatur des Gases werden die Techniken aufwändiger und teurer, so
dass die Wahl der Technik und der gewünschten Temperatur wirtschaftlich abgewogen
werden müssen. Wie man im Diagramm erkennen kann, ist bis rund 850 °C der Aufwand mit
einer Fußkühlung der Schaufel noch gering. Bei Temperaturen über 1.100 °C und einem
Betrieb mit einer Transpirationskühlung, die neben hohem Produktionsaufwand auch höhere
laufende Betriebskosten verursacht, wird die Grenze des heute Machbaren [DubbelB 19]
erreicht.
Turbomaschinen sind für Druckluftspeicher mit mittlerer bis hoher Leistung insbesondere
dann geeignet, wenn hohe Temperaturen umgesetzt werden sollen. Die im Allgemeinen sehr
hohen Wirkungsgrade, die mit diesen Maschinen erreichbar sind, lassen sich durch
Hochtemperaturwärme weiter steigern. Allerdings sind diese Maschinen bei der Anschaffung
sehr kostenintensiv.
4.4.1
Adiabate Kompression und Expansion
Als Vorbereitung für die Berechnungen werden in diesem Kapitel die Grundlagen für die
adiabaten Gasprozesse aufgeführt.
Der namensgebende Teilschritt des ACAES-Prozesses ist die adiabate Kompression
beziehungsweise Expansion der Luft. Eine wichtige Größe stellt dabei die technische Arbeit
dar, die bei einem solchen thermodynamischen Prozess durch einen Kompressor beim
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
48
Verdichten der Luft aufgebracht werden muss, beziehungsweise beim Entspannen der Luft
von einer Expansionsmaschine abgegeben wird.
Die Energiebilanz in einem stationären Fließprozess zwischen zwei Bilanzgrenzen erfasst
die ausgetauschte Wärmemenge q12, die abgegebene oder aufgenommene technische
Arbeit wt12, die Enthalpien h sowie die mechanischen Energien über die Geschwindigkeit c
und die geodätischer Höhe z. Bei Betrachtung einer adiabaten Verdichtung oder
Entspannung werden die Indizes für die Systemgrenzen vor 1 und hinter 2 der Maschine
festgelegt. Die Energiebilanz für spezifische Größen ist damit vollständig. [Geller 1]
q12  w t12


c 22
c12
 h2 
 g  z 2   h1 
 g  z1 
2
2


(4-4)
Für eine theoretische Betrachtung der Prozesse werden die mechanischen Energien hier
vernachlässigt, da für eine Abschätzung die verwendete Maschine mit ihren Dimensionen an
Aus- und Einlass sowie deren geodätische Position bekannt sein müsste. Bei adiabaten
Zustandsänderungen wird zudem definitionsgemäß keine Wärme mit der Umgebung
ausgetauscht. Damit vereinfacht sich die Beziehung.
w t12  h2  h1
(4-5)
Vorausgesetzt wird hier ideales Gasverhalten. Die Enthalpiedifferenz und damit die
technische Arbeit wt12 idealer Gase kann als Integral der Wärmekapazität bei konstantem
Druck cp formuliert werden [Geller 2].
T2
w t12  h2  h1   c p (T )  dT
T1
(4-6)
Der Isentropenexponent  eines idealen Gases ist als Quotient der Wärmekapazität des
Gases bei konstantem Druck cp und der Wärmekapazität des Gases bei konstantem
Volumen cv beschreibbar [Baehr 2]. Die Wärmekapazitäten eines idealen Gases lassen sich
zudem in Beziehung zu der Gaskonstante Ri darstellen [Baehr 1]. Eine dritte wichtige
Beziehung stellt die Gasgleichung für ideale Gase dar, welche die Größen Druck p, Volumen
v, die Gaskonstante Ri und die Temperatur für einen bestimmten Zustand in Beziehung
gebracht werden [Geller 3].

cp
cv
c p  c v  Ri
(4-7)
(4-8)
p  v  Ri  T
(4-9)
Die Wärmekapazitäten und der Isentropenexponent sind für mehratomige Gase
temperaturabhängig und gelten nur für die einatomigen Edelgase als konstant. Für
reversible, adiabate Zustandsänderungen wird diese schwache Temperaturabhängigkeit
jedoch häufig vernachlässigt [Baehr 2].
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
49
Abb. 4-40 Isentropenexponent mehratomiger Gase [Baehr 6]
Bei Stickstoff und Sauerstoff, den Hauptbestandteilen der Luft, fällt der Isentropenexponent
im Temperaturbereich von 0 bis 1000 °C von 1,4 auf etwa 1,33 beziehungsweise 1,30 ab.
Diese reale Abweichung nimmt mit steigender Temperatur zu und liegt im Bereich um
1000 °C bei maximal rund 7 %. Üblicherweise wird für trockene Luft ein
temperaturunabhängiger Isentropenexponent von 1,4 angenommen. Dieser Wert soll auch
in den folgenden Betrachtungen verwendet werden.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, weicht der Isentropenexponent von Wasserstoff oder
CO2 von dem der Summe der Luftbestandteile ab. Damit sind mit angepassten Werten
prinzipiell auch hybride Verfahren [Maton] [Oldenburg] mit den nachfolgenden Betrachtungen
abzubilden. Analog verwendbar sind hier nicht aufgeführte Gase wie beispielsweise Erdgas.
Unter der Annahme eines konstanten Isentropenexponenten lassen sich für die adiabate
Zustandsänderung einige weitere Näherungsgleichungen [Baehr 2] für Zusammenhänge
zwischen Druck, Temperatur und Volumen herleiten, die an dieser Stelle für eine
Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften der adiabaten Prozessführung ausreichen
sollen.
 1
 
T2  p 2
 
T1  p1 
(4-10)
p2  v1 
 
p1  v 2 

T1  v 2 
 
T2  v1 
 1
(4-11)
(4-12)
Bei konstantem Isentropenexponenten im betrachteten Temperaturintervall wird aus (4-12)
ein Zusammenhang, mit dem sich die technische Arbeit in Abhängigkeit von der
Wärmekapazität bei konstantem Druck cp und der Temperaturdifferenz ausdrücken lässt.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
50
w t12 c p (T2  T1 )
(4-13)
Mit diesem Handwerkszeug können nun die adiabaten Zustandsänderungen unter den
folgenden Annahmen berechnet werden:
4.4.2
Es liegt ein ideales Gasverhalten vor.
Isentropenexponenten und Wärmekapazitäten sind im Temperaturbereich der
Berechnungen konstant.
Alle Zustandsänderungen erfolgen reversibel ohne Verluste.
Der Speicherdruck bleibt unabhängig vom Befüllungszustand konstant.
Isobarer Wärmeaustausch
Einen weiteren Bestandteil der im AACAES verwendeten Prozessführung stellt der
Wärmeaustausch dar. Dabei wird Wärme zwischen der Luft und einem Regenerator oder
Rekuperator ausgetauscht. Als Vorbereitung für die Berechnungen des Wärmeaustausches
werden in diesem Kapitel die Grundlagen für die isobaren Gasprozesse aufgeführt.
Unter der vereinfachten Annahme eines reversiblen Prozesses wie in Kapitel 4.5.1 lässt sich
die Energiebilanz nach (4-10) auch hier aufstellen.
q12  w t12  h2 


c 22
c2
 g  z 2   h1  1  g  z1 
2
2


(4-14)
Bei der isobaren Zustandsänderung in einem Wärmetauscher besteht konstruktiv keine
Möglichkeit zur Übertragung von technischer Arbeit. Analog zur Vorgehensweise bei der
adiabaten Zustandsänderung werden die Einflüsse der kinetischen Energie sowie der
geodätischen Höhe vernachlässigt. Man erhält einen Ausdruck für die ausgetauschte
Wärmemenge.
T2
q12  h2  h1   c p (T )  dT
T1
(4-15)
Ebenfalls analog zur adiabaten Zustandsänderung sollen hier konstante Werte für cp im
betrachteten Temperaturbereich zugrunde gelegt werden.
q12  c p (T2  T1 )
(4-16)
Aus der allgemeinen Gasgleichung (4-15) lässt sich für die isobare Zustandsänderung
unmittelbar eine Beziehung zwischen den Temperaturen T und den Volumina v herleiten.
T1 v1

T2 v 2
(4-17)
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
51
Damit steht nun auch das Handwerkszeug zur Beschreibung der isobaren
Zustandsänderungen unter den gleichen Annahmen wie bei der adiabaten
Zustandsänderung zur Verfügung:
4.4.3
Es liegt ein ideales Gasverhalten vor.
Isentropenexponenten und Wärmekapazitäten sind im Temperaturbereich der
Berechnungen konstant.
Alle Zustandsänderungen erfolgen reversibel ohne Verluste.
Der Speicherdruck bleibt unabhängig vom Befüllungszustand konstant.
Isotherme Kompression und Expansion
Eine isotherme Zustandsänderung ist bisher in einem AACAES-Prozess nicht vorgesehen,
wird jedoch beim ICAES verwendet. Bei der isothermen Zustandsänderung handelt es sich
um eine Kompression oder Expansion, bei der exakt so viel Wärme zu- oder abgeführt wird,
dass die Temperatur des Gases konstant bleibt. Als Vorbereitung für die Berechnungen
werden in diesem Kapitel die Grundlagen für die isothermen beziehungsweise angenähert
isothermen Gasprozesse aufgeführt.
Technisch ist die sogenannte angenäherte isotherme Verdichtung von Bedeutung, denn die
isotherme Kompression benötigt einen geringeren Arbeitsaufwand als eine adiabate
Verdichtung. Eine isotherme Verdichtung ist jedoch nicht mit herkömmlichen Verdichtern
möglich. Deshalb nähert man sich dem Ideal der isothermen Zustandsänderung durch eine
Unterteilung der Kompression in adiabate und isobare Teilschritte an. Durch die Kühlung im
isobaren Teilschritt wird die Kompressionsarbeit des gesamten Prozesses gesenkt. [Baehr 7]
Abb. 4-41 Angenähert isothermer Prozess [Baehr 7]
Die schraffierte Fläche im p-V-Diagramm zeigt die Einsparung an technischer Arbeit auf, die
durch die Unterteilung einer einstufigen adiabaten Kompression in drei adiabate
Teilkompressionen mit isobarer Zwischenkühlung möglich ist.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
52
Abb. 4-42 Angenähert isothermer Radialverdichter [MAN]
Die Wärmetauscher, hier als Wasserrekuperatoren, werden üblicherweise direkt an den
einzelnen Verdichterstufen montiert, um Druckverluste durch Leitungswege zu vermeiden.
[MAN]
Um die technische Arbeit des Verdichters bei idealen Gasen möglichst klein zu halten, muss
das Druckverhältnis jeder Stufe gleich groß sein. Jede zusätzliche Stufe senkt unter idealen
Betrachtungen die aufzubringende technische Arbeit weiter. [Baehr 8]
Daraus
lässt
sich
eine
Gesetzmäßigkeit
zur
Berechnung
des
Stufenkompressionsverhältnisses jeder Einzelstufe Stufe bei bekannter Stufenzahl n, bei
bekanntem Kompressionsstartdruck pStart und mit dem gewünschten Kompressionsenddruck
pEnd ableiten. Der Quotient aus Kompressionsenddruck und Kompressionsstartdruck ist das
Verdichtungsverhältnis des gesamten Prozesses End.
Die durchgeführten Berechnungen sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
Die angenähert isotherme Verdichtung stellt damit für einen Druckluftspeicher eine Methode
dar, um die aufgewendete Einspeicherenergie zu senken. Dem entgegen steht der Nachteil
eines erheblich höheren Bauaufwands.
4.4.4
Angenähert isotherme Kompression für den Druckluftspeicher
Es erscheint sinnvoll, für den Einspeichervorgang eines Druckluftspeichers die angenähert
isotherme Verdichtung zu verwenden, um die aufzuwendende Einspeicherarbeit zu
verringern und die Kompressionsendtemperatur zu senken. In einer ersten Phase der
Berechnungen für diese Arbeit wurden deshalb Berechnungen zu dieser Art der
Prozessführung durchgeführt.
Die durchgeführten Berechnungen sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
Das Verdichtungsverhältnis wird in Anlehnung an die Überlegungen aus Kapitel 4.1 auf 30,
also auf einen Speicherenddruck von 30 bar, festgelegt. So wird eine Grundbefüllung
gewährleistet und der Raumbedarf des Drucktanks gesenkt. Außerdem ist, wie bereits
gezeigt, die Einsparung an Kompressionsaufwand durch die angenähert isotherme
Verdichtung mittels Prozessstufen bei höheren Verdichtungsverhältnissen größer. In
mindestens zwei Kompressionsstufen mit Verdichtungsverhältnissen von rund 5,5 erreichen
die unter den verwendeten Annahmen verlustlosen Kompressionsmaschinen
Betriebstemperaturen in beherrschbaren Bereichen unterhalb von 250 °C.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
53
520
1 Stufe
159,4 kWh
470
2 Stufen
3 Stufen
420
4 Stufen
5 Stufen
370
6 Stufen
320
T [C] 270
121,4 kWh
220
111,4 kWh
170
106,8 kWh
120
104,1 kWh
70
102,4 kWh
20
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Q/DT [kWh/K]
Abb. 4-43 Verdichtungswärme bei verschiedenen Stufenanzahlen, End = 30
Die bei der Kompression anfallende Wärmeenergie, die unter den bisher getroffenen
verlustlosen Bedingungen auch der adiabaten Kompressionsarbeit entspricht, nimmt mit
steigender Stufenzahl nicht nur ab, sondern es verringert sich auch die Temperatur der
anfallenden Wärme.
Da bei einer Anzahl der Kompressionsstufen größer 1 das Verdichtungsverhältnis der
Einzelstufen nach (4-24) immer gleich groß ausgelegt wird, ist auch die
Verdichtungsendtemperatur der Einzelstufen nach (4-25) immer gleich groß.
Damit wurde gezeigt, dass die angenähert isotherme Verdichtung vor allem bei hohen
Speicherenddrücken eines Druckluftspeichers hohe energetische Einsparpotenziale mit sich
bringt. Als positiver Nebeneffekt sinkt mit der Stufenanzahl die Verdichtungstemperatur, so
dass auch bei hohen Speicherenddrücken Standardmaschinen zum Einsatz kommen
können. Der erhöhte Bauaufwand bei hohen Stufenanzahlen verbleibt als Nachteil.
4.4.5
Analyse der Stufenvariation bei Kompression und Expansion
Wie bereits gezeigt existieren erhebliche Abwärmepotenziale, die sich für einen
Druckluftspeicher nutzen lassen. Diese Möglichkeit soll im Folgenden in die Überlegungen
zu den Prozessen mit einfließen.
Die durchgeführten Berechnungen sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
Mit der Anzahl der Einspeicherstufen nimmt der Anteil der ungenutzten Kompressionswärme
(grau) zu, während der Anteil der zwischengespeicherten und bei der Expansion wieder
genutzten Kompressionswärme (grün) abnimmt. Gleichzeitig nimmt der Anteil der
zuzuführenden Hochtemperaturwärme (rot) zu. Die Hochtemperaturwärme muss zugeführt
werden, damit die Temperatur der aus der Expansionsmaschine austretenden Luft
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
54
ausreichend weit über 0 °C liegt und ein Vereisen der Expansionsmaschine so verhindert
wird.
Diese Tendenz setzt sich auch für höhere Kompressionsstufenanzahlen fort und kann
übersichtlich als Balkendiagramm dargestellt werden.
Abb. 4-44 Wärmemengen bei ein- bis sechsstufiger Kompression und einstufiger Expansion
Prinzipiell stellt die Zufuhr von Hochtemperaturabwärme zur Prozessverbesserung kein
Hindernis dar, weil, wie bereits gezeigt, das ungenutzte Abwärmepotenzial in Deutschland
sehr groß ist. Allerdings wird ein effektiver Prozess damit auch zur Standortfrage.
4.4.6
Einfluss von Verlusten auf die Prozessführung
Vorangehende Betrachtungen waren in Bezug auf die Prozessführung verlustlos. In realen
Druckluftspeichern treten jedoch an verschiedenen Stellen Verluste auf. Es sollen nun
zunächst die Verluste betrachtet werden, die für die Prozessführung von Belang sind. Für
eine realitätsnähere Betrachtung werden dazu die bisher getroffenen Annahmen zum Teil
modifiziert.
-
Es liegt ein ideales Gasverhalten vor.
Isentropenexponent und Wärmekapazitäten sind im Temperaturbereich
Berechnungen konstant.
Die Zustandsänderungen erfolgen nun irreversibel mit Verlusten.
Der Speicherdruck bleibt unabhängig vom Befüllungszustand konstant.
der
Einige Zustandsänderungen werden vereinfachend mit Verlustanteilen beaufschlagt, wobei
die zugrunde liegenden Prozesse jedoch weiterhin reversibel sind. Insbesondere sollen die
Verluste bei der adiabaten und isobaren Zustandsänderung in den Fokus gerückt werden.
Die Betrachtungen der Temperaturen haben gezeigt, dass für den angenommenen
Druckbereich von 30 bar bereits unter verlustlosen Annahmen Temperaturen von 140 °C und
mehr erreicht werden. Da für besonders effektive Prozesse in der Expansionsphase bei
400 °C und darüber Wärme zugeführt werden muss, werden Turbomaschinen, die bei
diesem Temperaturbereich noch eingesetzt werden können, für die folgenden Betrachtungen
herangezogen.
In realen Maschinen erfolgt die Kompression und Expansion nicht isentrop, sondern polytrop
mit Dissipation. Dabei verschiebt sich der reale Prozess hin zu zunehmender Entropie.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
55
Abb. 4-45 Irreversible Kompression (links) und Expansion (rechts) von E nach A [BräunlingA 1]
Bei einer irreversiblen Expansion und Kompression erreicht man durch den zusätzlichen
Eintrag der Dissipationsverlustwärme in das Gas jeweils den Enddruck mit einer höheren
Temperatur als beim entsprechenden reversiblen Prozess.
Die Enthalpiedifferenz entspricht nach (4-11) der technischen Arbeit bei einer adiabaten
Kompression oder Expansion. Entsprechend wirkt sich bei gleichen Randparametern und
Maschinenwirkungsgraden die Temperaturzunahme durch Dissipation bei der Kompression
stärker negativ und bei der Expansion weniger negativ aus. Die für die Kompression
aufzubringende Arbeit steigt durch die dissipative Temperaturzunahme stärker an als die bei
der Expansion abgegebene Arbeit durch die dissipative Temperaturzunahme abnimmt.
Für mehrstufige Maschinen lassen sich die technischen Arbeiten der gesamten Maschine als
Summe der Arbeiten der Einzelstufen angenähert polytrop mittels des isentropen
Wirkungsgrades der Einzelstufen beschreiben. [BräunlingA 2]
Abb. 4-46 Irreversible Kompression (links) und Expansion (rechts) von E nach A [BräunlingA 2]
Wichtig ist dabei die Unterscheidung von Prozessstufe und Maschinenstufe. So wurden im
vorherigen Kapitel die Einflüsse der Prozess-Stufenanzahl untersucht. Die nachfolgenden
Ausführungen und Berechnungen beziehen sich auf die Maschinenstufen innerhalb der
Kompressions- und Expansionsmaschinen.
Um von der bereits betrachteten technischen Arbeit des reversiblen Prozesses zur
technischen Arbeit im verlustbehafteten Prozess zu gelangen, führt der Lösungsweg über die
isentropen Wirkungsgrade [Lucas 2] für Expansion und Kompression eines Maschinentyps
oder seiner Einzelstufen.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
56
Die durchgeführten Berechnungen sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
Abb. 4-47 Kompression, Wärmeaustausch und Expansion, 1 bis 30 bar, 1.180 kg Luft
Im T-S-Diagramm beginnt der Speicherprozess mit der Kompression und Kühlung (blaue
Verläufe) und endet mit der Aufheizung und Expansion (rote Verläufe). Die isobare
Aufheizung (hellrot) überdeckt die nahezu identisch verlaufende Kühlung (dunkelblau). Die
Starttemperatur der Expansion liegt durch die angenommene Temperaturdifferenz beim
Wärmeaustausch von jeweils 5 K insgesamt 10 K unterhalb der erreichten Endtemperatur
der Kompressionsphase auf der Isobaren von 30 bar.
Die bisher in den Diagrammen aufgeführten Beträge der Arbeiten entsprechen den Werten
ohne Berücksichtigung der mittels (4-48) und (4-49) dargestellten Verlustanteile xR, xD und
xS. Die verlustbehaftete Kompressionsarbeit WKo,x beträgt für diesen einstufigen Prozess
rund 256 kWh, die verlustbehaftete Expansionsarbeit W Ex,x rund 156 kWh. Die
Gesamteffizienz kef des Speichers nach (4-50) liegt unter Einberechnung aller
berücksichtigten Verluste damit bei 61 % und entspricht einem AACEAS-Prozess. Für
nachfolgende Betrachtungen werden, soweit nicht besonders erwähnt, auf diese Weise
berechnete, verlustbehaftete Arbeiten verwendet.
4.5
Alternativen zum AACAES
Nachdem im vorangegangenen Kapitel die Berechnungsmethoden für realitätsnahe,
verlustbehaftete Prozesse entwickelt wurden, können nun mithilfe dieser Methoden
Berechnungen von Prozessen in Anlehnung an die Aufgabenstellung erfolgen – Prozesse,
die mit marktverfügbaren Maschinen möglich sind.
Für am Markt verfügbare Turbomaschinen existieren, wie bereits mehrfach aufgezeigt,
Temperaturgrenzen, die bei der Auslegung des Druckluftspeicherverfahrens mit einbezogen
werden müssen. Wie aus Abb. 4-61 ersichtlich ist, würde bei dem einstufigen
Kompressionsprozess auf 30 bar eine Endtemperatur von über 670 °C erreicht werden. Das
übersteigt das bereits aufgezeigte Limit von 400 °C für Kompressoren erheblich.
4. Erarbeitung und Bewertung von innovativen Druckluftspeicherkonzepten
57
Wie bereits im Kapitel 4.4.5 gezeigt, ist eine probate Lösung für dieses Problem die
Verwendung von Zwischenkühlungen und die Aufteilung der Kompression in mehrere
Prozessstufen. Exemplarisch wird hier zur Absenkung der Kompressionsendtemperatur von
einer auf zwei Kompressionsstufen erhöht. Mit dem in Kapitel 4.4.6 entwickelten
Rechenmodell kann der zweistufige Kompressionsprozess bei gleichen Randparametern wie
in der vorangegangenen Berechnung ermittelt werden. Die Expansion soll zunächst einstufig
erfolgen. Aufschluss über die Temperaturen des Prozesses gibt das T-S-Diagramm.
Abb. 4-48 zweistufige Kompression, einstufige Expansion, 1 bis 30 bar, 1.180 kg Luft
Die Kompression der Umgebungsluft erfolgt (von rechts unten) in der ersten Prozessstufe
auf rund 5,5 bar bei 253 °C (dunkelblau). Danach erfolgen der Entzug und die Speicherung
der Wärme aus der Luft (hellblau). In der zweiten Stufe wird auf 30 bar bei 262 °C
weiterverdichtet und anschließend die Wärme erneut ausgekoppelt (braun, dunkelrot). In der
Expansionsphase wird die Luft nahezu auf die Temperatur der gespeicherten
Kompressionswärme erhitzt und anschließend in der Turbine entspannt.
Bei diesem Prozess liegen die Kompressionsendtemperaturen mit maximal 263 °C in gut
beherrschbaren Bereichen. Die Temperaturen in der Expansionsturbine erreichen jedoch
nach der vierten Maschinenstufe Werte unter 0 °C, was zu einem Vereisen der Turbine
führen würde. Prinzipiell stehen für das Problem der Vereisung drei Lösungsmöglichkeiten
offen:
1. Die Expansion wird vor dem Erreichen zu niedriger Temperaturen abgebrochen.
Dazu kann eine Drossel hinter der vierten Maschinenstufe verbaut werden, welche
die Luft gezielt in die Umgebung entspannt. Dabei geht jedoch ein Teil der
gespeicherten Energie verloren, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Speichers
abnimmt. Zudem ist zusätzlicher Bauaufwand, insbesondere für die Senkung der
Geräuschemissionen am Drosselventil, notwendig.
2. Die Luft wird vor dem Eintritt in die Expansionsturbine durch Wärmezufuhr auf ein
höheres Temperaturniveau gebracht, so dass bei der Entspannung in der Turbine die
Vereisungsgrenze nicht unterschritten wird.
3. Die Luft könnte vor Erreichen der Vereisungstemperatur zwischenerhitzt werden,
müsste aber dazu durch einen zusätzlichen Wärmetauscher geleitet werden. Nachteil
dieser Vorgehensweise ist der hohe Bauaufwand. Bei konsequenter Verwendung von
am Markt verfügbaren Maschinen wird zudem für die Entspannung nach der
5. Ergebnisse mit neuen CAES-Prozessen
58
Zwischenerhitzung eine weitere Turbine benötigt, was den Bauaufwand erheblich
steigert und weitere Verluste mit sich bringt.
In den folgenden Betrachtungen werden diese drei Möglichkeiten dargestellt und
anschließend diskutiert.
5. Ergebnisse mit neuen CAES-Prozessen
Die detaillierten Ergebnisse sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
6. Diskussion und Beispielanwendung
Die Details der Diskussion und der Beispielanwendung sind in dieser Teilveröffentlichung
nicht verfügbar
und erscheinen erst am 1.10.2018 mit der Vollversion.
7. Fazit und Ausblick
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass es sinnvoll ist, bisher ungenutzte Abwärme mit
möglichst hoher Temperatur in einem Druckluftspeicherprozess zu verwenden. Durch dieses
Vorgehen werden selbst mehrstufige Druckluftspeicheranlagen mit Standardmaschinen
vergleichbar effizient oder effizienter als einstufige AACAES-Prozesse, die nur mit
Sondermaschinen realisiert werden können.
An der detailliert beschriebenen Beispielanlage wurde veranschaulicht, dass mit
Hochtemperaturabwärme erhebliche Effizienzsteigerungen (Anmerkung für die
Teilveröffentlichung: Die genannten Effizienzwerte beziehen sich auf den Quotienten
von eingespeicherter zu ausgespeicherter elektrischer Energie ohne Bilanzierung der
aus externen Quellen zugeführten Abwärme. Es handelt sich nicht um
thermodynamische Wirkungsgrade) von ursprünglich 36 % beziehungsweise 56 % auf
Werte von 82 % beziehungsweise 106 % möglich sind und die im Prozess verbleibende
Hochtemperaturabwärme mit sehr hohen Umsatzraten von bis zu 86 % in zusätzliche,
nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der Bedarf an Wärme im
Druckluftspeicherprozess ist dabei relativ gering, und eine weitere Nutzung der Restwärme
ist möglich. Unter Berücksichtigung des Umstandes, dass Abwärme aus Biogasanlagen,
wenn überhaupt, aktuell in erster Linie zu Heizzwecken verwendet und die
Hochtemperaturabwärme dafür auf niedrige Temperaturniveaus abgesenkt wird, besteht
ganz erheblicher Handlungsbedarf zur besseren Nutzung vorhandener Exergiemengen.
Die allgemeinen Untersuchungen aus den verlustlosen Betrachtungen legen nahe, dass sich
mit hohen Speicherdrücken auch hohe Prozessstufenanzahlen verwirklichen lassen, da der
Vorteil von Erhöhungen der Stufenanzahl bei höheren Enddrücken zunimmt. Bei höheren
Gesamtstufenanzahlen lässt sich die Anzahl der Einspeicherstufen im Verhältnis zur Anzahl
der Ausspeicherstufen zudem feiner auslegen. Wurden in den verlustbehafteten
Betrachtungen dieser Arbeit Prozesse mit Stufenverhältnissen (Prozess-Einspeicherstufen
zu Prozess-Ausspeicherstufen) von maximal 2/1 berechnet, so wären auch Verhältnisse von
beispielsweise 3/2 oder 4/3 denkbar.
Eine Besonderheit bei Turbomaschinen ist, dass die Dissipationsverluste die Luft zusätzlich
aufheizen und so dem Prozess nicht verloren gehen. Aus den verlustbehafteten
7. Fazit und Ausblick
59
Berechnungen geht hervor, dass zum Beispiel bei dem Prozess ohne externe Wärmezufuhr
mit jeweils zwei Ein- und Ausspeichermaschinen Restwärmemengen in der Luft verbleiben.
Die durch die Verluste der Kompressionsmaschine entstehende zusätzliche
Kompressionswärme wird in der Expansionsmaschine, in der ebenfalls Verluste in Form
einer Luftaufheizung anfallen, nicht vollständig genutzt. Hier wäre ein Prozess mit zum
Beispiel drei Einspeicherstufen und zwei Ausspeicherstufen eventuell in der Lage, die
Wärmeenergie auch ohne Wärmezufuhr von außen vollständig zu verwerten, ohne dass die
Expansionsmaschinen vereisen. Der Vorteil wäre ein relativ geringer Bauaufwand bei
gleichzeitiger Standortunabhängigkeit von Abwärmequellen.
Wie aus den Exergiediagrammen ersichtlich ist, ließen sich bei solchen Prozessen generell
die benötigten Absoluttemperaturen für die Expansion und die Temperaturdifferenzen
zwischen Ein- und Ausspeichervorgang senken, was diese Prozesse außerdem für den
Einsatz von chemischen Wärmespeichern als Wärmepumpen prädestiniert.
Zudem bleiben bis heute große Abwärmemengen nicht nur als Hoch- sondern auch als
Niedertemperaturabwärme ungenutzt, die sich mit entsprechend ausgelegten vielstufigen
Prozessen vermutlich effizienter nutzen ließen.
Die Skalierbarkeit der hier aufgeführten Prozesse hin zu größeren Leistungen kann als gut
möglich angesehen werden, da im hohen Leistungsbereich Turbomaschinen eingesetzt
werden, auf deren Funktionsweise und Aufbau die durchgeführten Berechnungen basieren.
Die Skalierung hin zu kleinen Leistungen stellt hingegen eine größere Herausforderung dar,
da im kleinen Leistungsbereich andere, weniger effiziente Maschinen eingesetzt werden und
die durch die maschinellen Verluste auftretenden hohen Temperaturen als Problem
bestehen bleiben. Druckspeicher und Wärmespeicher lassen sich prinzipiell in allen Größen
und verschiedensten Formen herstellen. Die Technologie ist prinzipiell auch mit anderen
Medien wie Erdgas oder Wasserstoff verwendbar.
8. Bewertung der Prozessberechnungen
60
8. Bewertung der Prozessberechnungen
In diesem Kapitel werden die Ungenauigkeiten und möglichen Fehlerquellen in den
Berechnungen dieser Arbeit diskutiert, die sich durch Annahmen und Vereinfachungen
ergeben. Die Berechnungen werden zu diesem Zweck in der Reihenfolge behandelt, wie sie
in der Arbeit vorkommen.
Mathematische Fehler innerhalb der Arbeit können durch Rundungen der Ergebniswerte auf
2 bis 4 signifikante Stellen auftreten. Im Text durchgeführte Berechnungen ohne Verweise
auf Formeln wurden mit einem Taschenrechner durchgeführt und beschränken sich auf
einfache Zusammenhänge wie dem Dreisatz. Zwischenergebnisse wurden auf 2 bis 4
signifikante Stellen gerundet, und nachfolgende Berechnungen können gegebenenfalls
kleine Abweichungen in den letzten Stellen enthalten.
Innerhalb der Excel-Tabellen wurden keine Rundungen vorgenommen, so dass die internen
Berechnungen dort mit der maximalen bei Excel 2010 verfügbaren Genauigkeit durchgeführt
worden sind.
8.1
Innere Kompression in Druckspeichern
Die durchgeführten Excel-Berechnungen zur inneren Kompression in Druckspeichern gehen
von idealem Gasverhalten und konstanten Stoffwerten aus, was real nicht zutrifft. Zudem
werden keine Wärmeübergänge mit der Druckspeicherwandung oder der Umgebung
außerhalb der Wandung in den Rechnungen berücksichtigt. Ebenfalls zu Abweichungen vom
realen Verhalten könnten die inkrementellen, relativ großen Gasmassen führen, die für die
schrittweise durchgeführten Rechnungen verwendet werden. Außerdem wird von einer
idealen Durchmischung des Druckspeicherinhalts ausgegangen, während real
unvollständige Vermischungen oder sogar Schichtungen auftreten könnten. Zudem ist es
denkbar, dass in großen Speichern, insbesondere bei röhrenförmigen Speichern,
verschiedene Temperaturen an verschiedenen Orten auftreten.
8.2
Carnot-Wirkungsgrad als Vergleich für reale Prozesse
Der mit Excel berechnete Carnot-Wirkungsgrad stellt die obere, theoretische Grenze für die
Effizienz von quasistationären, verlustlosen Prozessen mit verlustlosen Wärmeübergängen
ohne die real erforderlichen Wärmedifferenzen dar. Der Vergleich, auch bezüglich
Proportionalität, mit realen Prozessen, die in endlicher Zeit ablaufen, kann daher immer nur
Orientierungswerte liefern. Für die durchgeführten Trendbetrachtungen hingegen kann der
Carnot-Prozess herangezogen werden.
8.3
Simulink-Modell des Wärmespeichers
Bei dem verwendeten Simulink-Modell handelt es sich um eine dynamische Berechnung mit
Lösungsverfahren für Differenzialgleichungen, die in dem Programm grafisch aufgestellt
wurden. Je nach Lösungsalgorithmus und Randparametern ist es innerhalb der Simulation
zu Aufschwingeffekten gekommen. Bei den hier angegebenen Randparametern und der
gewählten Rechengenauigkeit sind die berechneten Werte jedoch stabil. Die interne
Genauigkeit der Zeitsimulation liegt bei 10-3 s. Abweichungen von realen Wärmeübergängen
werden durch Vernachlässigung von druck- und temperaturabhängigen Stoffwerten,
strömungsabhängigen Wärmeübertragungskennwerten und Einlauflängen der Strömung
verursacht. Außerdem besteht das Modell aus einer endlichen Anzahl von Teilelementen, in
denen eine einheitliche Temperatur vorliegt.
8. Bewertung der Prozessberechnungen
8.4
61
Leistungszahl von Wärmepumpen
Die mit Excel berechneten Leistungszahlverläufe für Wärmepumpen gelten ähnlich wie der
Carnot-Wirkungsgrad für verlustlose, quasistationäre Prozesse. Der Vergleich, auch
bezüglich Proportionalität, mit realen Prozessen, die in endlicher Zeit ablaufen, kann daher
immer nur Orientierungswerte liefern. Für die durchgeführten Trendbetrachtungen wurde der
reversible Wert der Leistungszahl mit einem festen Literaturwert des Wirkungsrades
multipliziert, was eine bessere Annäherung an reale Prozesse bietet. Real ist dieser
Wirkungsgrad für jede Maschine einzeln zu ermitteln.
8.5
Verlustlose thermodynamische Betrachtungen
Die verlustlosen Betrachtungen wurden mit Excel erstellt. Abweichungen zu realen
Prozessen treten vor allem durch die Annahmen von konstanten Kennwerten über
Temperatur und Druck, idealem Gasverhalten, Vernachlässigung kinetischer Energieanteile,
reversiblen Zustandsänderungen, idealen Wärmeübergängen ohne Temperaturdifferenz und
als konstant angenommenem Druck im Druckspeicher auf.
8.6
Verlustbehaftete thermodynamische Betrachtungen
Die verlustbehafteten Betrachtungen wurden ebenfalls mit Excel erstellt. Abweichungen zu
realen Prozessen treten vor allem durch die Annahmen von konstanten Kennwerten über
Temperatur und Druck, idealem Gasverhalten, Vernachlässigung kinetischer Energieanteile
und als konstant angenommenem Druck im Druckspeicher auf. Die angenommenen Verluste
sind Mittelwerte und können bei real ausgeführten Maschinen abweichen. Die
angenommenen Temperaturdifferenzen in den Wärmeaustauschvorgängen können real
ebenfalls abweichen. Effekte durch Druckverluste, Skalierung oder Lagerreibung wurden
nachträglich als Faktor aufgeschlagen, real müssten anlagenspezifische Druckverluste,
Strömungsverhältnisse und andere Einflussfaktoren beachtet werden.
8.7
Auslegung der Beispielanlage
Bei der Auslegung der Beispielanlage sind Ergebnisse aus den erstellten Excel-Modellen
verwendet
und
skaliert
worden.
Als
Annahme
dienten
Mittelwerte
für
Maschinenwirkungsgrade und Maschinenleistungen, die real mit Druck und
Volumendurchsatz variabel sind. Außerdem wurden elektrische und mechanische
Wirkungsgrade des Antriebsstrangs, der Wirkungsgrad der erforderlichen Einspeisetechnik
zur
Stromnetzsynchronisation
sowie
Temperaturverluste
in
den
thermischen
Wärmespeichern vernachlässigt. Dynamische Anlauf- und Abfahrverluste blieben ebenfalls
unberücksichtigt.
9. Quellenverzeichnis
62
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Seite 412
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Kapitel 4.8.4
Seite 143
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P31
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P30
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R82
R36
R86
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R87
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Albstadtweg 3
70567 Stuttgart
10. Abbildungsverzeichnis
71
10. Abbildungsverzeichnis
Abb. 3-1 Energieversorgung bis 2050 [Faulstich] .................................................................10
Abb. 3-2 Huntorf (1978), McIntosh (1991), Norton (geplant) [Nölke] .....................................12
Abb. 3-3 Prozesse von Huntorf und McIntosh ....................................................................12
Abb. 3-4 ACAES Versuchsanlage an der TU-Clausthal, li. o. Kompressor, .........................13
Abb. 3-5 ADELE Aufbau, Prozess und Wärmespeicher [ADL] ..............................................14
Abb. 3-6 AACAES Patent von 1974, rechts Grafik aus [P12] ................................................14
Abb. 3-7 isotherme Kompressionsanordnung [SustainX] ......................................................15
Abb. 3-8 Wirkungsgrade (aufgen. el. Energie zu abgeg. el. Energie) verschiedener
Speichertechnologien, Quelle Daten [Mahnke], Quelle Bild [Statista] ....................16
Abb. 4-1 Komponenten eines AACAES ................................................................................18
Abb. 4-2 a) Gleitdruckspeicherkaverne b) und c) Gleichdruckspeicher [Rummich 2] ............19
Abb. 4-3 Gleichdruckspeicher für einen Druckluftkavernenspeicher [P10] ............................19
Abb. 4-4 Dampfdruckkurve [Baehr 3]....................................................................................20
Abb. 4-5 Belastungen an einem geschweißten Drucktank als ..............................................21
Abb. 4-6 Solen einer Kaverne in Salzgestein [Acht] ..............................................................23
Abb. 4-7 Druckarbeitsbereich einer Kaverne [Acht] ..............................................................23
Abb. 4-8 Unterwasserdruckspeicher mit Ballon [Garvey] ......................................................25
Abb. 4-9 Carnot-Wirkungsgrad über Prozesstemperatur ......................................................26
Abb. 4-10 Gegenstrom- und Gleichstrom-Wärmetauscher, ..................................................26
Abb. 4-11 Schichtspeichermodell [Lüdemann 1] ...................................................................27
Abb. 4-12 Speicherkeramik mit quadratischen Kanälen [Alibaba] .........................................28
Abb. 4-13 Wärmespeicherpatent der Firma Züblin [ZÜP] .....................................................29
Abb. 4-14 Beladung einer Regeneratormatrix [VWA Nb10] ..................................................30
Abb. 4-15 Simulink-Modell des Wärmespeichers..................................................................30
Abb. 4-16 Aufbau des Wärmespeicher-Moduls mit 10 Einzelmassen ...................................30
Abb. 4-17 y-Achse Temperatur in °C, x-Achse Zeit in Sekunden, die Kurven entsprechen
von links nach rechts den Luft-Temperaturen an der Zuströmseite (links) und
am Austritt (rechts) ..............................................................................................31
Abb. 4-18 Latenter Wärmespeicher, 1970 [P13] ...................................................................32
Abb. 4-19 Metallhohlkugeln mit Phasenwechselmaterialen [IFAM] .......................................32
Abb. 4-20 Stoffkombinationen verschiedener Einsatztemperaturen [Kerskes] ......................33
Abb. 4-21 Verschiedene Trägerstrukturen [Kerskes] ............................................................33
Abb. 4-22 Experimentell validierte Speicherdichten [Kerskes] ..............................................34
Abb. 4-23 Zyklenfestigkeit [HSG] ..........................................................................................34
Abb. 4-24 Einfluss des Drucks auf die Temperatur [Kerskes] ...............................................35
Abb. 4-25 Verdampferwärmemaschine [DubbelB 3] .............................................................36
Abb. 4-26 Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ................................37
Abb. 4-27 Jahresdauerlinien der Stromerzeugung 2020 [IWES 1] ........................................38
Abb. 4-28 Wirkungsgrade Biogas-BHKWs [Gaderer 2] .........................................................39
Abb. 4-29 Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland [Schütte] ............................................39
Abb. 4-30 Wärme- und Temperaturbedarf in der Industrie [NIU]...........................................40
Abb. 4-31 Skizze einer Hubkolbenmaschine; .......................................................................41
Abb. 4-32 Zweistufiger, ölfreier Kolbenverdichter der Firma Mehrer,
30 bar, 37 kW [Mehrer] ........................................................................................42
Abb. 4-33 Einzelringventil; 1 Hubfänger, 2 Feder, 3 Ring, ....................................................43
Abb. 4-34 c Schraubenverdichter, d Drehschieber Rotationsverdichter, e Flüssigkeits-........43
Abb. 4-35 C-DLR 500, Elmo Rietschle; a 1.200 mm, c1 525 mm, 2 bar, 36 kW [GardnerD] ..44
Abb. 4-36 R Radialmaschinen, A Axialmaschinen [DubbelB 13]...........................................45
Abb. 4-37 axialer MAN Turboverdichter mit 2 Radiallagern (8) und
1 Axiallager (7) [DubbelB 14] ...............................................................................45
Abb. 4-38 Radialer MAN Turboverdichter mit 2 Radiallagern (3) und
1 Axiallager (4) [DubbelB 15] ...............................................................................46
Abb. 4-39 Schaufelkühl-Techniken [DubbelB 19]..................................................................47
Abb. 4-40 Isentropenexponent mehratomiger Gase [Baehr 6] ..............................................49
10. Abbildungsverzeichnis
72
Abb. 4-41 Angenähert isothermer Prozess [Baehr 7] ............................................................51
Abb. 4-42 Angenähert isothermer Radiallverdichter [MAN] ...................................................52
Abb. 4-43 Verdichtungswärme bei verschiedenen Stufenanzahlen, End = 30 .......................53
Abb. 4-44 Wärmemengen bei ein- bis sechsstufiger Kompression und einstufiger
Expansion ............................................................................................................54
Abb. 4-45 Irreversible Kompression (links) und Expansion (rechts) von
E nach A [BräunlingA 1] .......................................................................................55
Abb. 4-46 Irreversible Kompression (links) und Expansion (rechts) von
E nach A [BräunlingA 2] .......................................................................................55
Abb. 4-47 Kompression, Wärmeaustausch und Expansion, 1 bis 30 bar, 1.180 kg Luft........56
Abb. 4-48 zweistufige Kompression, einstufige Expansion, 1 bis 30 bar, 1.180 kg Luft ........57
Abb. 12-1 Simulink-Modell, TL ist Temperatur der Luft, TR ist Temperatur des
Regeneratormaterials, mzu ist Massenstrom der Luft, Aü ist die Fläche ...... Fehler!
Textmarke nicht definiert.
11. Symbolverzeichnis
73
11. Symbolverzeichnis
V̇
A
c1
c2
cp
cv
f
g
h1
h2
hA
hA0
hE
kef
ku
kua
m
mLuft
mSp
mzu
n
p
p1
p2
pEnd
PEx,i
PEx,i+1
pi
PKo,i
PKo,i+1
pSp
pStart
Q
Q+
q12
QAbluft+
Qein
qisobar
Qo
Ri
RLuft
T
T0
T1
T2
T3
TA
TA0
TE
TEx,i
TEx,i+1
Ti
TKo,i
TKo,i+1
Tnach
To
TSpeicher
Tu
Tvor
Tzu
v
v
V1
V2
Vi
VSp
Volumenstrom
Querschnittsfläche
Geschwindigkeit Prozessschritt 1
Geschwindigkeit Prozessschritt 2
Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck
Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen
Faktor mir Reynoldszahl und Widerstandsbeiwerten (Druckverlust)
Gravitationskonstante
Spezifische Enthalpie Prozessschritt 1
Spezifische Enthalpie Prozessschritt 2
Spezifische Enthalpie Prozessschritt A
Spezifische Enthalpie Prozessschritt A0
Spezifische Enthalpie Prozessschritt E
Gesamteffizienz
Wärmeumsatzgrad
Erweiterter Wärmeumsatzgrad
Gesamtanzahl der Maschinenstufen
Luftmasse
Luftmasse (im Druckspeicher)
Zugeführte Luftmasse (in den Druckspeicher)
Anzahl der Prozess-Verdichtungsstufen
Spezifischer Druck (ideales Gasgesetz)
Druck Prozessschritt 1
Druck Prozessschritt 2
Enddruck nach allen Verdichtungsstufen
Druck vor der Expansions-Maschinenstufe i
Druck vor der Expansions-Maschinenstufe i+1
Druck Prozessschritt i
Druck vor der Kompressions-Maschinenstufe i
Druck vor der Kompressions-Maschinenstufe i+1
Druck der Luft (im Druckspeicher)
Startdruck
Wärmeenergie
Zusätzlich eingesetzte Wärmeenergie
Spezifische Wärmeenergie von Prozessschritt 1 zu 2
Zusätzlich in der Abluft verbleibende Wärmeenergie
Summe der eingebrachten Wärmeenergien
Spezifische Wärmemenge bei isobarer Zustandsänderung
Abgegebene Wärme bei To (bei Wärmepumpen)
Universelle Gaskonstante
Spezifische Gaskonstante für Luft
Temperatur
Temperatur der Umgebung (für Carnotwirkungsgrad)
Temperatur Prozessschritt 1
Temperatur Prozessschritt 2
Temperatur Prozessschritt 3
Temperatur Prozessschritt A
Temperatur Prozessschritt A0
Temperatur Prozessschritt E
Temperatur vor der Expansions-Maschinenstufe i
Temperatur vor der Expansions -Maschinenstufe i+1
Temperatur Prozessschritt i
Temperatur vor der Kompressions-Maschinenstufe i
Temperatur vor der Kompressions-Maschinenstufe i+1
Temperatur der Luft nach Verdichtung (im Druckspeicher)
Obere Temperatur (bei Wärmepumpen)
Temperatur der Luft im Druckspeicher
Obere Temperatur (bei Wärmepumpen)
Temperatur der Luft vor Verdichtung (im Druckspeicher)
Temperatur der zugeführten Luft (in den Druckspeicher)
Strömungsgeschwindigkeit (Druckverlust)
Spezifisches Volumen (ideales Gasgesetz)
Volumen Prozessschritt 1
Volumen Prozessschritt 2
Volumen Prozessschritt i
Volumen der Luft (im Druckspeicher)
[m³/s]
[m²]
[m/s]
[m/s]
[J/kg K]
[J/kg K]
[Pa s²/m²]
[kg/m s²]
[J/kg]
[J/kg]
[J/kg]
[J/kg]
[J/kg]
[-]
[-]
[-]
[-]
[kg]
[kg]
[kg]
[-]
[Pa/mol]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[J]
[J]
[J/kg]
[J]
[J]
[J/kg]
[J]
[J/mol K]
[J/kg K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[K]
[m/s]
[m³/mol]
[m³]
[m³]
[m³]
[m³]
11. Symbolverzeichnis
Vzu
W+
W1Stufe
wadiabat
Wadiabat
Waus
Wein
Wel
WEx
WEx,i
WEx,i,isen
WEx,x
WKo
WKo,i
WKo,i,isen
WKo,x
WnStufe
wt
Wt
Wt,isentrop
xD
xR
xS
Dp
DSi
DT
DW
DW i,diss
DW i,isen
Volumen der zugeführten Luft (in den Druckspeicher)
Zusätzlich gewonnene Arbeit
Kompressionsarbeit mit einer Prozessstufe
Spezifische adiabate Kompressionsarbeit
Adiabate Kompressionsarbeit
Summe der Ausspeicherarbeiten
Summe der Einspeicherarbeiten
Aufgenommene elektrische Arbeit (bei Wärmepumpen)
Angenähert polytrope Expansionsarbeit einer Maschine / eines Prozesses
Angenähert polytrope Expansionsarbeit der Maschinenstufe i
Isentrope Expansionsarbeit der Maschinenstufe i
Expansionsarbeit einer Maschine / eines Prozesses mit Zusatzverlusten
Angenähert polytrope Kompressionsarbeit einer Maschine / eines Prozesses
Angenähert polytrope Kompressionsarbeit der Maschinenstufe i
Isentrope Kompressionsarbeit der Maschinenstufe i
Kompressionsarbeit einer Maschine / eines Prozesses mit Zusatzverlusten
Kompressionsarbeit mit n Prozessstufen
Spezifische technische Arbeit
Technische Arbeit
Technische Arbeit bei isentroper Zustandsänderung
Druckverlustfaktor in den Wärmetauschern
Reibungsverlustfaktor in den Maschinenlagern
Skalierungsverlustfaktor
Druckdifferenz (Druckverlust)
Differenz der Entropie Prozessschritt i
Temperaturdifferenz
Differenz der Kompressionsarbeit (Vergleich der Stufenverdichtungsarbeit)
Differenz der Dissipationsarbeit Prozessschritt i
Differenz der isentropen Arbeit Prozessschritt i



End
Ex,Stufe
Ko,Stufe
rev
Stufe
Carnot
Ex,isentrop
Ex,Stufe
Ko,isentrop
Ko,Stufe
Stufe
th
Wp

Wärmeübergangskoeffizient
Leistungszahl (bei Wärmepumpen)
Verdichtungsverhältnis
Gesamtverdichtungsverhältnis
Stufenexpansionsverhältnis einer Kompressions-Maschinenstufe
Stufenverdichtungsverhältnis einer Kompressions-Maschinenstufe
Leistungszahl reversibler Prozesse (bei Wärmepumpen)
Stufenverdichtungsverhältnis
Carnotwirkungsgrad
Isentroper Wirkungsgrad für die Expansion
Isentroper Wirkungsgrad für die Expansion in einer Maschinenstufe
Isentroper Wirkungsgrad für die Kompression
Isentroper Wirkungsgrad für die Kompression in einer Maschinenstufe
Isentroper Wirkungsgrad für eine Maschinenstufe
Wirkungsgrad theoretisch
Wirkungsgrad (bei Wärmepumpen)
Isentropenexponent von Luft
74
[m³]
[J]
[J]
[J/kg]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J]
[J/kg]
[J]
[J]
[%] bzw. [-]
[%] bzw. [-]
[%] bzw. [-]
[Pa]
[%]
[K]
[%]
[%]
[%]
[W/K m²]
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[-]
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